Java核心复习—— 原子性、有序性与Happens-Before

一、 产生并发Bug的源头

• 可见性
  • 缓存导致的可见性问题
• 原子性
  • 线程切换带来的原子性问题
• 有序性
  • 编译优化带来的有序性问题

上面讲到了 volatile 与可见性，本章再主要讲下原子性、有序性与Happens-Before规则。

二、线程切换带来的原子性问题

count += 1 这一句高级语言的语句，往往需要多条CPU执令。可以分为3步：

• 将count值加载到寄存器
• 在寄存器中对count进行+1操作
• 将count值写回内存

所以，我们需要在高级语言的层面上，确保一些操作是原子性操作。

三、编译优化带来的有序性问题

编译器为了优化性能，有时会改变程序中语句的先后顺序。

a = 6;
b = 7;

经过编译优化后，可能会变成

b = 7;
a = 6

双重检查创建单例对象

public class Singleton{

    static Singleton instance;
    static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized(Singleton.class){
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
    }

}

这个例子看似很完美，但其实是可能触发空指针异常。

为什么可能会触发空指针异常。

假设getInstance()的运行过程是这样：

1. 开辟一块M内存空间
2. 在M内存空间上创建Singleton对象
3. 将对象赋值给instance

这样的话是没问题的。但编译时并非按这个顺序来的，而是按照下面的顺序来：

1. 开辟一块M内存空间
2. 将M内存空间的地址赋值给instance
3. 在M内存空间创建Singleton对象。

当A线程走到了第2步，将M内空空间的地址赋值给instance时，发生线程切换，则B线程判断instance == null时，结果返回false，则返回null，导致返回空指针。

四、Java内存模型

上面说到产生并发Bug的源头是缓存导致的可见性、编译优化导致的顺序性。如果禁用缓存和编译优化是不是就问题解决了，并不是，将引入最大的问题，程序性能问题。

合理的方案是按需求来禁用缓存和编译优化。

Java内存模型规范了按需禁用缓存和编译优化的方法（volatile、synchronized、final、Happens-Before规则）。

class VolatileExample{

    int x = 0;

    volatile boolean v = false;

    public void writer(){
        x = 42;
        v = true;
    }

    publci void reader(){
        if(v == true){
            //x = ?
            sout(x);
        }
    
    }

}

上面的例子，A线程调用writer()，B线程调用reader()，B看到的x是多少？JDK1.5以前是0，JDK1.5及以上是42。

原因是JDK1.5对volatile进行增强，新增了Happens-Before规则。

五、Happens-Before规则

规则1：程序的顺序性规则

意思就是：前面一个操作的结果对后续操作是可见的。

x = 42 ; Hapens-Before于 v = true;

如果是在JDK1.5以前，v = true可能会先被执行。

class VolatileExample{

    int x = 0;

    volatile boolean v = false;

    public void writer(){
        x = 42;
        v = true;
    }

    publci void reader(){
        if(v == true){
            //x = ?
            sout(x);
        }
    
    }

}

规则2：volatile变量规则

对一个volatile变量的写操作，Happens-Before于后续对这个volatile变量的读操作。

规则3：传递性

A Happens-Before B
B Happens-Before C

那么

A Happens-Before C

class VolatileExample{

    int x = 0;

    volatile boolean v = false;

    public void writer(){
        x = 42;
        v = true;
    }

    publci void reader(){
        if(v == true){
            //x = ?
            sout(x);
        }
    
    }

}

规则2结合规则3和规则1来一起看。

x = 42 Happens-Before v = true，这是规则1
A线程写变量v=true Happens-Before B线程读变量v=true，这是规则2
由规则1、2结合规则3的传递性，得出x = 42 Happens-Before B线程读变量v=true

规则4：管程中锁的规则

对一个锁的解锁 Happens-Before于后续对这个锁的加锁。

管程是一种通用的同步原语。同步原语是什么。。。。synchronized是Java对管程的实现。

synchronized(this){//此处自动加锁
    // x 是共享变量，初始值=10

    if(this.x < 12){

        this.x = 12;
    }

}//此处自动解锁

A执行完代码块后x=12，执行完释放锁。线程B进入代码块，能够看到A对x的写操作。

规则5：线程start()规则

主线程A启动子线程B后，子线程B能够看到主线程在启动子线程B之前的操作。

也就是 start()操作 Happens-Before 线程B中的任意操作。

Thread B = new Thread(() -> {
        
       //主线程调用B.start()之前
       //所有对共享变量的修改，此处可见
       //var == 77
})

var = 77;
B.start();

规则6：线程join()规则

这条是关于线程等待的。主线程A等待子线程B完成（A调用子线程B的join()方法）。当子线程B完成后，主线程能够看到子线程的操作。

Thread B = new Thread(()-> {
    
    var = 66;

})

//一系列操作


B.start();

//进行一系列操作


B.join()

线程B中的任意操作，Happens-Before 于该join()操作。

六、final

final修饰变量时，初衷是告诉编译器：这个变量生而不变，可以尽可能的优化。

那什么时候使用final呢？

一个答案就是“尽可能的使用”。任何你不希望改变的（基本类型，或者指向一个对象，不管该对象是否可变）一般来讲都应该声明为final。

另一种看待此问题的方式是：

如果一个对象将会在多个线程中访问并且你并没有将其成员声明为final，则必须提供其他方式保证线程安全

七、并发编程的学习路线图

参考文档

《Java并发编程实战——王宝令》
JSR 133 (Java Memory Model) FAQ
关于java中final关键字与线程安全性