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  • 并发重要概念

    并发编程中的三个概念

    在并发编程中,我们通常会遇到以下三个问题:原子性问题,可见性问题,有序性问题。我们先看具体看一下这三个概念:

    1.原子性

      原子性:即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。

      反映到并发编程中会出现什么结果呢?

      举个最简单的例子,大家想一下假如为一个32位的变量赋值过程不具备原子性的话,会发生什么后果?

      i = 9; 

      假若一个线程执行到这个语句时,我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程:为低16位赋值,为高16位赋值。

      那么就可能发生一种情况:当将低16位数值写入之后,突然被中断,而此时又有一个线程去读取i的值,那么读取到的就是错误的数据。

      Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作。即i=10赋值;i读取

    2.可见性

      可见性是指当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。

      举个简单的例子,看下面这段代码:

      //线程1执行的代码
      int  i =  0 ;
      i =  10 ;
       
      //线程2执行的代码
      j = i;

    假若执行线程1的是CPU1,执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知,当线程1执行 i =10这句时,会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中,然后赋值为10,那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了,却没有立即写入到主存当中。

      此时线程2执行 j = i,它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中,注意此时内存当中i的值还是0,那么就会使得j的值为0,而不是10.

      这就是可见性问题,线程1对变量i修改了之后,线程2没有立即看到线程1修改的值。

    3.有序性

      有序性:即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子,看下面这段代码:

      int  i =  0 ;              
      boolean  flag =  false ;
      i =  1 ;                 //语句1  
      flag =  true ;           //语句2

      上面代码定义了一个int型变量,定义了一个boolean类型变量,然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看,语句1是在语句2前面的,那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗?不一定,为什么呢?这里可能会发生指令重排序(Instruction Reorder)。

      下面解释一下什么是指令重排序,一般来说,处理器为了提高程序运行效率,可能会对输入代码进行优化,它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致,但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

      比如上面的代码中,语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响,那么就有可能在执行过程中,语句2先执行而语句1后执行。

      但是要注意,虽然处理器会对指令进行重排序,但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同,那么它靠什么保证的呢?再看下面一个例子:

      int  a =  10 ;     //语句1
      int  r =  2 ;     //语句2
      a = a +  3 ;     //语句3
      r = a*a;      //语句4

    这段代码有4个语句,那么可能的一个执行顺序是:

      

      

      那么可不可能是这个执行顺序呢: 语句2   语句1    语句4   语句3

      不可能,因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性,如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果,那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行

      虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果,但是多线程呢?下面看一个例子:

      //线程1:
      context = loadContext();    //语句1
      inited =  true ;              //语句2
     
      //线程2:
      while (!inited ){
         sleep()
      }
      doSomethingwithconfig(context);

      上面代码中,由于语句1和语句2没有数据依赖性,因此可能会被重排序。假如发生了重排序,在线程1执行过程中先执行语句2,而此是线程2会以为初始化工作已经完成,那么就会跳出while循环,去执行doSomethingwithconfig(context)方法,而此时context并没有被初始化,就会导致程序出错。

       从上面可以看出,指令重排序不会影响单个线程的执行,但是会影响到线程并发执行的正确性。

      也就是说,要想并发程序正确地执行,必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证,就有可能会导致程序运行不正确。

       譬如inited =  true ;加volatile,使之一定程度上有序,并且这是个赋值操作,是原则操作,那就没问题了。

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