诡异并发三大恶人可见性

Posted 2020-11-27 copykakaxi

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可见性 的定义是：一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到。

 

产生可见性的原因：因为进度的不及时更新，导致数据不是最新，导致决策失误。我们隐约可以看出，内存并不直接与Cpu打交道，而是通过高速缓存与Cpu打交道。

02 原因分析

2.1、线程交叉执行

 

 

 2.2、重排序结合线程交叉执行

例如下面这段代码

    int a = 0;    //行1
    int b = 0;    //行2
    a = b + 10;   //行3
    b = a + 9;    //行4

 

 2.3、共享变量更新后的值没有在工作内存及主存间及时更新

import java.time.LocalDateTime;

/**
 * @author ：--------
 * @description：共享变量在线程间的可见性测试
 */
public class VisibilityDemo {

    // 状态标识flag
    private static boolean flag = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        System.out.println(LocalDateTime.now() + "主线程启动计数子线程");
        new CountThread().start();

        Thread.sleep(1000);
        // 设置flag为false，使上面启动的子线程跳出while循环，结束运行
        VisibilityDemo.flag = false;
        System.out.println(LocalDateTime.now() + "主线程将状态标识flag被置为false了");
    }

    static class CountThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(LocalDateTime.now() + "计数子线程start计数");
            int i = 0;
            while (VisibilityDemo.flag) {
                i++;
            }
            System.out.println(LocalDateTime.now() + "计数子线程end计数，运行结束：i的值是" + i);
        }
    }

}

可见性代码

运行结果：

 

 

 03 如何解决线程间不可见性

3.1、volatile:只保证可见性

volatile关键字能保证可见性，但也只能保证可见性，在此处就能保证flag的修改能立即被计数子线程获取到。

此时纠正上面例子出现的问题，只需在定义全局变量的时候加上volatile关键字

    // 状态标识flag
    private static volatile boolean flag = true;

3.2、Atomic相关类:保证可见性和原子性

将标识状态flag在定义的时候使用Atomic相关类来进行定义的话，就能很好的保证flag属性的可见性以及原子性。

此时纠正上面例子出现的问题，只需在定义全局变量的时候将变量定义成Atomic相关类

    // 状态标识flag
    private static AtomicBoolean flag = new AtomicBoolean(true);

不过值得注意的一点是，此时原子类相关的方法设置新值和得到值的放的是有点变化，如下：

    // 设置flag的值
    VisibilityDemo.flag.set(false);
    
    // 获取flag的值
    VisibilityDemo.flag.get()

3.3、Lock: 保证可见性和原子性

此处我们使用的是Java常见的synchronized关键字。

此时纠正上面例子出现的问题，只需在为计数操作i++添加synchronized关键字修饰

    synchronized (this) {
        i++;
    }

通过上面三种方式，可以得到类似如下的期望结果：

 

 04 可见性-volatile

Java内存模型对volatile关键字定义了一些特殊的访问规则，当一个变量被volatile修饰后，它将具备两种特性，或者说volatile具有下列两层语义：

• 第一、保证了不同线程对这个变量进行读取时的可见性。即一个线程修改了某个变量的值， 这个新值对其他线程来说是立即可见的。(volatile解决了线程间共享变量的可见性问题)。
• 第二、禁止进行指令重排序， 阻止编译器对代码的优化。

针对第一点，volatile保证了不同线程对这个变量进行读取时的可见性，具体表现为：

• 1：使用 volatile 关键字会强制将在某个线程中修改的共享变量的值立即写入主内存。
• 2：使用 volatile 关键字的话， 当线程 2 进行修改时， 会导致线程 1 的工作内存中变量的缓存行无效（反映到硬件层的话， 就是 CPU 的 L1或者 L2 缓存中对应的缓存行无效);

附一张CPU缓存模型图：

• 3：由于线程 1 的工作内存中变量的缓存行无效，所以线程1再次读取变量的值时会去主存读取。基于这一点，所以我们经常会看到文章中或者书本中会说volatile 能够保证可见性。

综上所述：就是用volatile修饰的变量，对这个变量的读写，不能使用 CPU 缓存，必须从内存中读取或者写入。

使用volatile无法保障线程安全，那么volatile的作用是什么呢？

其中之一：（对状态量进行标记，保证其它线程看到的状态量是最新值）

 

 

 

volatile关键字是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，很多人由于对它理解不够（其实这里你想理解透的话可以看看happens-before原则），而往往更愿意使用synchronized来做同步。所以接下来再说说synchronized关键字。

05 可见性synchronized

5.1、作用域

synchronized关键字的作用域有二种：

• 1）是某个对象实例内，synchronized aMethod(){}可以防止多个线程同时访问这个对象的synchronized方法。

  如果一个对象有多个synchronized方法，只要一个线程访问了其中的一个synchronized方法，其它线程不能同时访问这个对象中任何一个synchronized方法。

  这时，不同的对象实例的synchronized方法是不相干扰的。也就是说，其它线程照样可以同时访问相同类的另一个对象实例中的synchronized方法。

  因为当修饰非静态方法的时候，锁定的是当前实例对象。

• 2）是某个类的范围，synchronized static aStaticMethod{}防止多个线程同时访问这个类中的synchronized static 方法。它可以对类的所有对象实例起作用。

  因为当修饰静态方法的时候，锁定的是当前类的 Class 对象。

5.2、可用于方法中的某个区块中

除了方法前用synchronized关键字，synchronized关键字还可以用于方法中的某个区块中，表示只对这个区块的资源实行互斥访问。

用法是:

synchronized(this){
    /*区块*/
}

它的作用域是当前对象；

5.3、不能继承

synchronized关键字是不能继承的，也就是说，基类的方法

synchronized f(){
    // 具体操作
}

在继承类中并不自动是

synchronized f(){
    // 具体操作
}

而是变成了

f(){
    // 具体操作
}

继承类需要你显式的指定它的某个方法为synchronized方法；

综上3点所述：synchronized关键字主要有以下这3种用法：

• 修饰实例方法：作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁
• 修饰静态方法：作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁
• 修饰代码块：指定加锁对象，对给定对象加锁，进入同步代码块前要获得给定对象的锁

这三种用法就基本保证了共享变量在读取的时候，读取到的是最新的值。

5.4、JVM关于synchronized的两条规定：

• 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存

• 线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而是使用共享变量时，需要从主内存中重新读取最新的值（注意：加锁与解锁是同一把锁）

从上面的这两条规则也可以看出，这种方式保证了内存中的共享变量一定是最新值。

但我们在使用synchronized保证可见性的时候也要注意以下几点：

• A．无论synchronized关键字加在方法上还是对象上，它取得的锁都是对象；而不是把一段代码或函数当作锁――而且同步方法很可能还会被其他线程的对象访问。
• B．每个对象只有一个锁（lock）与之相关联。Java 编译器会在 synchronized 修饰的方法或代码块前后自动加上加锁 lock() 和解锁 unlock()，这样做的好处就是加锁 lock() 和解锁 unlock() 一定是成对出现的，毕竟忘记解锁 unlock() 可是个致命的 Bug（意味着其他线程只能死等下去了）。
• C．实现同步是要很大的系统开销作为代价的，甚至可能造成死锁，所以尽量避免无谓的同步控制。