诡异的并发之有序性

上一节阿粉我和大家一起打到了并发中的恶霸可见性原子性,这一节我们继续讨伐三恶之一的有序性。

序、有序性的阐述

有序性为什么要探讨?因为 Java 是面向对象编程的,关注的只是最终结果,很少去研究其具体执行过程?正如上一篇文章在介绍可见性时描述的一样,操作系统为了提升性能,将 Java 语言转换成机器语言的时候,吩咐编译器对语句的执行顺序进行了一定的修改,以促使系统性能达到最优。所以在很多情况下,访问一个程序变量(对象实例字段,类静态字段和数组元素)可能会使用不同的顺序执行,而不是程序语义所指定的顺序执行。

正如大家所熟知那样,Java语言是运行在 Java 自带的 Jvm(Java Virtual Machine) 环境中,在JVM环境中源代码(.class)的执行顺序与程序的执行顺序(runtime)不一致,或者程序执行顺序与编译器执行顺序不一致的情况下,我们就称程序执行过程中发生了重排序

而编译器的这种修改是自以为能保证最终运行结果!因为在单核时代完全没问题;但是随着多核时代的到来,多线程的环境下,这种优化碰上线程切换就大大的增加了事故的出现几率!

也就是说,有序性 指的是在代码顺序结构中,我们可以直观的指定代码的执行顺序, 即从上到下按序执行。但编译器和CPU处理器会根据自己的决策,对代码的执行顺序进行重新排序。优化指令的执行顺序,提升程序的性能和执行速度,使语句执行顺序发生改变,出现重排序,但最终结果看起来没什么变化(单核)。

有序性问题 指的是在多线程环境下(多核),由于执行语句重排序后,重排序的这一部分没有一起执行完,就切换到了其它线程,导致的结果与预期不符的问题。这就是编译器的编译优化给并发编程带来的程序有序性问题。

用图示就是:

阿粉小结:编译优化最终导致了有序性问题。

一、导致有序性的原因:

如果一个线程写入值到字段 a,然后写入值到字段 b ,而且b的值不依赖于 a 的值,那么,处理器就能够自由的调整它们的执行顺序,而且缓冲区能够在 a 之前刷新b的值到主内存。此时就可能会出现有序性问题。

例子:

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import java.time.LocalDateTime;

/**
 * @author :mmzsblog
 * @description:并发中的有序性问题
 * @date :2020年2月26日 15:22:05
 */
public class OrderlyDemo {

    static int value = 1;
    private static boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 199; i++) {
            value = 1;
            flag = false;
            Thread thread1 = new DisplayThread();
            Thread thread2 = new CountThread();
            thread1.start();
            thread2.start();
            System.out.println("=========================================================");
            Thread.sleep(6000);
        }
    }

    static class DisplayThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " DisplayThread begin, time:" + LocalDateTime.now());
            value = 1024;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " change flag, time:" + LocalDateTime.now());
            flag = true;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " DisplayThread end, time:" + LocalDateTime.now());
        }
    }

    static class CountThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            if (flag) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value的值是:" + value + ", time:" + LocalDateTime.now());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " CountThread flag is true,  time:" + LocalDateTime.now());
            } else {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value的值是:" + value + ", time:" + LocalDateTime.now());
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " CountThread flag is false, time:" + LocalDateTime.now());
            }
        }
    }
}

运行结果:

从打印的可以看出:在 DisplayThread 线程执行的时候肯定是发生了重排序,导致先为 flag 赋值,然后切换到 CountThread 线程,这才出现了打印的 value 值是1,falg 值是 true 的情况,再为 value 赋值;不过出现这种情况的原因就是这两个赋值语句之间没有联系,所以编译器在进行代码编译的时候就可能进行指令重排序。

用图示,则为:

二、如何解决有序性

2.1、volatile

volatile 的底层是使用内存屏障来保证有序性的(让一个Cpu缓存中的状态(变量)对其他Cpu缓存可见的一种技术)。

volatile 变量有条规则是指对一个 volatile 变量的写操作, Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作。并且这个规则具有传递性,也就是说:

此时,我们定义变量 flag 时使用 volatile 关键字修饰,如:

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    private static volatile boolean flag = false;

此时,变量的含义是这样子的:

也就是说,只要读取到 flag=true; 就能读取到 value=1024;否则就是读取到 flag=false;value=1 的还没被修改过的初始状态;

但也有可能会出现线程切换带来的原子性问题,就是读取到 flag=false;value=1024 的情况;看过上一篇讲述原子性的文章的小伙伴,可能就立马明白了,这是线程切换导致的。

2.2、加锁

此处我们直接采用Java语言内置的关键字 synchronized,为可能会重排序的部分加锁,让其在宏观上或者说执行结果上看起来没有发生重排序。

代码修改也很简单,只需用 synchronized 关键字修饰run方法即可,代码如下:

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    public synchronized void run() {
        value = 1024;
        flag = true;
    }

同理,既然是加锁,当然也可以使用 Lock 加锁,但 Lock 必须要用户去手动释放锁,如果没有主动释放锁,就有可能导致出现死锁现象。这点在使用的时候一定要注意!使用该种方式加锁也很简单,代码如下:

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    readWriteLock.writeLock().lock();
    try {
        value = 1024;
        flag = true;
    } finally {
        readWriteLock.writeLock().unlock();
    }

好了,以上内容就是我对并法中的有序性的一点理解与总结了,通过这三篇文章我们也就大致掌握了并发中常见的可见性、有序性、原子性问题以及它们常见的解决方案。

最后

最后,阿粉简单总结下三篇文章文章中使用的解决方案之间的区别:

特性 Atomic变量 volatile关键字 Lock接口 synchronized关键字
原子性 可以保障 无法保障 可以保障 可以保障
可见性 可以保障 可以保障 可以保障 可以保障
有序性 无法保障 一定程度保障 可以保障 可以保障

参考文章:

  • 1、极客时间的Java并发编程实战
  • 2、https://juejin.im/post/5d52abd1e51d4561e6237124
  • 3、https://juejin.im/post/5d89fd1bf265da03e71b3605
  • 4、https://www.cnblogs.com/54chensongxia/p/12120117.html
  • 5、http://ifeve.com/jmm-faq-reordering/
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