数据的强一致性与弱一致性 (1)

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如果两个线程同时运行，两个线程的变量的值可能会出现以下三种结果：

• 1,1

• 2,1

• 1,2

2,1 和 1,2 的结果我们很好理解，那为什么会出现以上 1,1 的结果呢？

在解释为什么会出现这样的结果之前，我们先通过下图来简单了解下 Java 的内存模型

Java 内存模型

Java 采用共享内存模型来实现多线程之间的信息交换和数据同步。程序在运行时，局部变量将会存放在虚拟机栈中，而共享变量将会被保存在堆内存中。

由于局部变量是跟随线程的创建而创建，线程的销毁而销毁，所以存放在栈中，由上图我们可知，Java 栈数据不是所有线程共享的，所以不需要关心其数据的一致性。

共享变量存储在堆内存或方法区中，由上图可知，堆内存和方法区的数据是线程共享的。而堆内存中的共享变量在被不同线程操作时，会被加载到自己的工作内存中，也就是 CPU 中的高速缓存。

CPU 缓存可以分为一级缓存（L1）、二级缓存（L2）和三级缓存（L3），每一级缓存中所储存的全部数据都是下一级缓存的一部分。当 CPU 要读取一个缓存数据时，首先会从一级缓存中查找；如果没有找到，再从二级缓存中查找；如果还是没有找到，就从三级缓存或内存中查找。

如果是单核 CPU 运行多线程，多个线程同时访问进程中的共享数据，CPU 将共享变量加载到高速缓存后，不同线程在访问缓存数据的时候，都会映射到相同的缓存位置，这样即使发生线程的切换，缓存仍然不会失效。

如果是多核 CPU 运行多线程，每个核都有一个 L1 缓存，如果多个线程运行在不同的内核上访问共享变量时，每个内核的 L1 缓存将会缓存一份共享变量。

假设线程 A 操作 CPU 从堆内存中获取一个缓存数据，此时堆内存中的缓存数据值为 0，该缓存数据会被加载到 L1 缓存中，在操作后，缓存数据的值变为 1，然后刷新到堆内存中。

在正好刷新到堆内存中之前，又有另外一个线程 B 将堆内存中为 0 的缓存数据加载到了另外一个内核的 L1 缓存中，此时线程 A 将堆内存中的数据刷新到了 1，而线程 B 实际拿到的缓存数据的值为 0。

此时，内核缓存中的数据和堆内存中的数据就不一致了，且线程 B 在刷新缓存到堆内存中的时候也将覆盖线程 A 中修改的数据。这时就产生了数据不一致的问题。

解释 1,1 的结果

了解完内存模型之后，结合以下图，我就可以理解 1,1 的运行结果了。

重排序

在 Java 内存模型中，还存在重排序的问题。请看以下代码：

//代码 1public class Demo {int x = 0;boolean flag = false;public void writer() {x = 1;

flag = true;

}

public void reader() {if (flag) {

int r1 = x;

System.out.println(r1==x)}}}

如果两个线程同时运行，线程

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1 调用 writer 方法，线程 2 调用 reader 方法，线程 2 中的 r1 变量的值可能会出现以下两种可能:

r1=0 或者 r1=1

现在一起来看看 r1=1 的运行结果，如下图所示：

那 r1=0 又是得到的？我们再来看以下入：

所以在 JVM 中，重排序是十分重要的一环，特别是在并发编程中。课时 JVM 要是能对它们进行任意排序的话，也可能会给并发编程带来一系列的问题，其中就包括了一致性的问题。

为了解决这个问题，Java 提出了 Happens-before 规则来规范线程的执行顺序：

Happens-before 规则

**程序次序规则：**在单线程中，代码的执行是有序的，虽然可能会存在运行指令的重排序，但最终执行的结果和顺序执行的结果是一致的；

**锁定规则：**一个锁处于被一个线程锁定占用状态，那么只有当这个线程释放锁之后，其它线程才能再次获取锁操作；

**volatile 变量规则：**如果一个线程正在写 volatile 变量，其它线程读取该变量会发生在写入之后；

**线程启动规则：**Thread 对象的 start() 方法先行发生于此线程的其它每一个动作；