深刻理解 JAVA 并发中的有序性问题和解决之道
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问题
Java 并发情况下总是会遇到各种意向不到的问题,比如下面的代码:
线程 1 中如果发现
ready=true
,那么 r1 的值等于num + num
,否则等于 1,然后将结果保存到I_Result
对象中线程 2 中先修改
num=2
,然后设置ready=true
那大家觉得I_Result
中的r1值
可能是多少呢?
r1 值等于 4, 这个大家都能想到, CPU 先执行了线程 2,然后执行线程 1
r1 值等于 1,这个也容易理解,CPU 先执行了线程 1,然后执行线程 2
那我如果说 r1 值有可能等于 0,大家可能觉得离谱,不信的话,我们验证下。
压测验证结果
由于并发问题出现的概率比较低,我们可以使用openjdk
提供的jcstress
框架进行压测,就能够出现各种可能的情况。
jcstress:全名 The Java Concurrency Stress tests,是一个实验工具和一套测试工具,用于帮助研究 JVM、类库和硬件中并发支持的正确性。详细使用可以参考文章:https://www.cnblogs.com/wwjj4811/p/14310930.html
生成压测工程
生成的工程代码如下图:
填充测试内容
方法
actor1
是压测第一个线程干的活,将结果保存到I_Result
中。方法
actor2
是压测第二个线程干的活类前面的
@Outcome
注解用来展示验证结果,特别是id="0"
这个是我们感兴趣的结果
运行压测工程
查看运行结果
运行结果如下图所示:
有 4000 多次出现了 0 的结果
大部分情况的结果还是 1 和 4
你是不是还是很困惑,其实这就是并发执行的一些坑,我们下面来解释下原因。
原因分析
如果先要出现r1的值等于0
,那么有一个可能0+0=0
,那么也就是num=0
。
你可能想 num 怎么可能等于 0,代码逻辑明明是先设置num=2
,然后才修改ready=true
, 最后才会走到num+num
的逻辑啊....
在并发的世界里,我们千万不要被固有的思维限制了,那是不是有可能num=2
和ready=true
的执行顺序发生了变化呢。如果你想到这里,也基本接近真相了。
原因: JAVA 中在指令不存在依赖的情况下,会进行顺序的调整,这种现象叫做指令重排序,是 JIT 编译器在运行时的一些优化。这也是为什么出现 0 的根本原因。
指令重排不会影响单线程执行的结果,但是在多线程的情况下,会有个可能出现问题。
理解指令重排序
前面提到出现问题的原因是因为指令重排序,你可能还是不大理解指令重排序究竟是什么,以及它的作用,那我这边用一个鱼罐头的故事带大家理解下。
我们可以把工人当做 CPU,鱼当做指令,工人加工一条鱼需要 50 分钟,如果一条鱼、一条鱼顺序加工,这样是不是比较慢?
没办法得优化下,不然要喝西北风了,发现每个鱼罐头的加工流程有 5 个步骤:
去鳞清洗 10 分钟
蒸煮沥水 10 分钟
加注汤料 10 分钟
杀菌出锅 10 分钟
真空封罐 10 分钟
每个步骤中也是用到不同的工具,那能否可以并行呢?如下图所示:
我们发现中间用很多步骤是并行做的,大大的提高了效率。但是在并行加工鱼的过程中,就会出现顺序的调整,比如先做第二条的鱼的某个步骤,然后在做第一条鱼的步骤。
现代 CPU 支持多级指令流水线,几乎所有的冯•诺伊曼型计算机的 CPU,其工作都可以分为 5 个阶段:取指令、指令译码、执行指令、访存取数和结果写回,可以称之为五级指令流水线。CPU 可以在一个时钟周期内,同时运行五条指令的不同阶段(每个线程不同的阶段),本质上流水线技术并不能缩短单条指令的执行时间,但变相地提高了指令地吞吐率。
处理器在进行重排序时,必须要考虑指令之间的数据依赖性
单线程环境也存在指令重排,由于存在依赖性,最终执行结果和代码顺序的结果一致
多线程环境中线程交替执行,由于编译器优化重排,会获取其他线程处在不同阶段的指令同时执行
volatile 关键字
那么对于上面的问题,如何解决呢?
使用 volatile 关键字。
volatile
的底层实现原理是内存屏障,Memory Barrier(Memory Fence)
对
volatile
变量的写指令后会加入写屏障对
volatile
变量的读指令前会加入读屏障
内存屏障本质上是一个 CPU 指令,形象点理解就是一个栅栏,拦在那里,无法跨越。
内存屏障分为写屏障和读屏障,有什么有呢?
保证可见性
写屏障保证在该屏障之前的,对共享变量的改动,都同步到主存当中
读屏障保证在该屏障之后,对共享变量的读取,加载的是主存中最新数据
保证有序性
写屏障会确保指令重排序时,不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
读屏障会确保指令重排序时,不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前
回到前面的问题,如果对ready
加了volatile
以后,那么 num=2 就无法到后面去了,同样读取也是,如上图所示。
final 底层也是通过内存屏障实现的,它与 volatile 一样。
对 final 变量的写指令加入写屏障。也就是类初始化的赋值的时候会加上写屏障。
对 final 变量的读指令加入读屏障。加载内存中 final 变量的最新值。
总结
JAVA 并发中的有序性问题其实比较难理解,本文通过一个例子验证了并发情况下会出现有序性的问题,从而引发意想不到的结果。这个主要的原因是为了提高性能,指令会发生重排序导致的。为了解决这样的问题,我们可以使用volatile
这个关键字修饰变量,它能够保证有序性和可见性,但是无法保证原子性。如果以后遇到一些成员变量或者静态变量就要特别注意了,需要分析并发情况下会有哪些问题。
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