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? 作者?|??Arnold-zhao

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66套java從入門(mén)到精通實(shí)戰(zhàn)課程分享

出現(xiàn)線程安全的問(wèn)題本質(zhì)是因?yàn)椋?/span>

主內(nèi)存和工作內(nèi)存數(shù)據(jù)不一致性以及編譯器重排序?qū)е隆?/span>

所以理解上述兩個(gè)問(wèn)題的核心，對(duì)認(rèn)知多線程的問(wèn)題則具有很高的意義；

簡(jiǎn)單理解CPU

CPU除了控制器、運(yùn)算器等器件還有一個(gè)重要的部件就是寄存器。其中寄存器的作用就是進(jìn)行數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)。

CPU的運(yùn)算速度是非?？斓模瑸榱诵阅蹸PU在內(nèi)部開(kāi)辟一小塊臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域，并在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)先將數(shù)據(jù)從內(nèi)存復(fù)制到這一小塊臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域中，運(yùn)算時(shí)就在這一小快臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。我們稱這一小塊臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)域?yàn)榧拇嫫鳌?/span>

CPU讀取指令是往內(nèi)存里面去讀取的，讀一條指令放到CPU中，CPU去執(zhí)行，對(duì)內(nèi)存的讀取速度比較慢，所以從內(nèi)存讀取的速度去決定了這個(gè)CPU的執(zhí)行速度的。所以無(wú)論我們的CPU怎么去升級(jí)，但是如果這方面速度沒(méi)有解決的話，其的性能也不會(huì)得到多大的提升。

為了彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，所以添加了高速緩存的機(jī)制，如ARM A11的處理器，它的1級(jí)緩存中的容量是64KB，2級(jí)緩存中的容量是8M,
通過(guò)增加cpu高速緩存的機(jī)制，以此彌補(bǔ)服務(wù)器內(nèi)存讀寫(xiě)速度的效率問(wèn)題；

JVM虛擬機(jī)類比于操作系統(tǒng)

JVM虛擬計(jì)算機(jī)平臺(tái)就類似于一個(gè)操作系統(tǒng)的角色，所以在具體實(shí)現(xiàn)上JVM虛擬機(jī)也的確是借鑒了很多操作系統(tǒng)的特點(diǎn)；

JAVA中線程的工作空間（working memory）就是CPU的寄存器和高速緩存的抽象描述，cpu在計(jì)算的時(shí)候，并不總是從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，它的數(shù)據(jù)讀取順序優(yōu)先級(jí) 是：寄存器－高速緩存－內(nèi)存；
而在JAVA的內(nèi)存模型中也是同等的，Java內(nèi)存模型中規(guī)定了所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每條線程還有自己的工作內(nèi)存（類似于CPU的高速緩存），線程的工作內(nèi)存中保存了該線程使用到的變量到主內(nèi)存副本拷貝，線程對(duì)變量的所有操作（讀取、賦值）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量，操作完成后再將變量寫(xiě)回主內(nèi)存。不同線程之間無(wú)法直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要在主內(nèi)存來(lái)完成?；娟P(guān)系如下圖：

注意：這里的Java內(nèi)存模型，主內(nèi)存、工作內(nèi)存與Java內(nèi)存區(qū)域模型的Java堆、棧、方法區(qū)不是同一層次內(nèi)存劃分，這兩者基本上沒(méi)有關(guān)系。

重排序

在執(zhí)行程序時(shí)，為了提高性能，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序。一般重排序可以分為如下三種：

舉例如下：

public?class?Singleton?{
????public?static??Singleton?singleton;

????/**
?????*?構(gòu)造函數(shù)私有，禁止外部實(shí)例化
?????*/
????private?Singleton()?{};

????public?static?Singleton?getInstance()?{
????????if?(singleton?==?null)?{
????????????singleton?=?new?Singleton();
????????}
????????return?singleton;
????}
}

如上，一個(gè)簡(jiǎn)單的單例模式，按照對(duì)象的構(gòu)造過(guò)程，實(shí)例化一個(gè)對(duì)象1、可以分為三個(gè)步驟(指令)：
1、 分配內(nèi)存空間。
2、 初始化對(duì)象。
3、 將內(nèi)存空間的地址賦值給對(duì)應(yīng)的引用。
但是由于操作系統(tǒng)可以對(duì)指令進(jìn)行重排序，所以上面的過(guò)程也可能變?yōu)槿缦碌倪^(guò)程：
1、 分配內(nèi)存空間。
2、 將內(nèi)存空間的地址賦值給對(duì)應(yīng)的引用。
3、 初始化對(duì)象 。

所以，如果出現(xiàn)并發(fā)訪問(wèn)getInstance()方法時(shí)，則可能會(huì)出現(xiàn)，線程二判斷singleton是否為空，此時(shí)由于當(dāng)前該singleton已經(jīng)分配了內(nèi)存地址，但其實(shí)并沒(méi)有初始化對(duì)象，則會(huì)導(dǎo)致return 一個(gè)未初始化的對(duì)象引用暴露出來(lái)，以此可能會(huì)出現(xiàn)一些不可預(yù)料的代碼異常；

當(dāng)然，指令重排序的問(wèn)題并非每次都會(huì)進(jìn)行，在某些特殊的場(chǎng)景下，編譯器和處理器是不會(huì)進(jìn)行重排序的，但上述的舉例場(chǎng)景則是大概率會(huì)出現(xiàn)指令重排序問(wèn)題（關(guān)于指令重排序的概念后續(xù)給出詳細(xì)的地址）

原創(chuàng)聲明：作者：Arnold.zhao 博客園地址：https://www.cnblogs.com/zh94

匯總

所以，如上可知，多線程在執(zhí)行過(guò)程中，數(shù)據(jù)的不可見(jiàn)性，原子性，以及重排序所引起的指令有序性 三個(gè)問(wèn)題基本是多線程并發(fā)問(wèn)題的三個(gè)重要特性，也就是我們常說(shuō)的：

并發(fā)的三大特性：原子性，有序性，可見(jiàn)性；

原子性：代碼操作是否是原子操作（如：i++ 看似一個(gè)代碼片段，實(shí)際的執(zhí)行中將會(huì)分為三步執(zhí)行，則必然是非原子化的操作，在多線程的場(chǎng)景中則會(huì)出現(xiàn)異常）
有序性：CPU執(zhí)行代碼指令時(shí)的有序性；
可見(jiàn)性：由于工作線程的內(nèi)存與主內(nèi)存的數(shù)據(jù)不同步，而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)可見(jiàn)性問(wèn)題；

一些解釋

但是，問(wèn)題就真的有那么復(fù)雜嗎？如果按照上面所說(shuō)的問(wèn)題，i++是非原子操作，就會(huì)出現(xiàn)并發(fā)異常的問(wèn)題，new Object() 就會(huì)出現(xiàn)重排序的并發(fā)問(wèn)題，那么Java開(kāi)發(fā)還能做嗎。。我隨便寫(xiě)個(gè)方法代碼，豈不是就會(huì)出現(xiàn)并發(fā)問(wèn)題？但是為什么我開(kāi)發(fā)了這么久的代碼，也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)方法并發(fā)導(dǎo)致的異常問(wèn)題啊？
燒的麻袋；
這里就要說(shuō)明另外一個(gè)問(wèn)題，JVM的線程棧，JVM線程棧中是線程獨(dú)有的內(nèi)存空間（如：程序計(jì)數(shù)器以線程棧幀）而線程棧幀中的局部變量表則用來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前所執(zhí)行方法的基本數(shù)據(jù)類型（包含 reference， returnAddress等），所以當(dāng)方法在被線程執(zhí)行的過(guò)程中，相關(guān)的對(duì)象引用信息，以及基本類型的數(shù)據(jù)都是線程獨(dú)有的，并不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線程訪問(wèn)時(shí)的并發(fā)問(wèn)題，也就是簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：一個(gè)方法內(nèi)的變量定義以及方法內(nèi)的業(yè)務(wù)代碼，是不會(huì)出現(xiàn)并發(fā)問(wèn)題的。多個(gè)線程并不會(huì)共享一個(gè)方法內(nèi)的變量數(shù)據(jù)，而是每個(gè)方法內(nèi)的定義都屬于當(dāng)前該執(zhí)行線程的獨(dú)有棧空間中。（所以通過(guò)Java線程棧的這一獨(dú)特特性自然當(dāng)中則為我們省了很多事項(xiàng)；）

但是由于我們的線程的數(shù)據(jù)操作不可能每次都去訪問(wèn)主存中的數(shù)據(jù)，對(duì)于線程所使用到的變量需要copy至線程內(nèi)存中以增加我們的執(zhí)行速度，所以就引出了我們上述所提到的并發(fā)問(wèn)題的本質(zhì)問(wèn)題，線程工作空間和主內(nèi)存的數(shù)據(jù)不同步而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)共享時(shí)的可見(jiàn)性問(wèn)題；

如：此時(shí)定義一個(gè)簡(jiǎn)單的類

class?Person{
????int?a?=?1;
????int?b?=?2;

????public?void?change()?{
????????a?=?3;
????????b?=?a;
????}

????public?void?print()?{
????????String?result?=?"b="?+?b?+?";a="?+?a;
????????System.out.println(result);
????}
????
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????while?(true)?{
????????????final?Person?test?=?new?Person();
????????????new?Thread(()?->?{
????????????????Thread.sleep(10);
????????????????test.change();
????????????}).start();

????????????new?Thread(()?->?{
????????????????Thread.sleep(10);
????????????????test.print();
????????????}).start();
????????}
????}
}

如上，假設(shè)此時(shí)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)change()以及print() 方法，則可能會(huì)出現(xiàn)print所輸出的結(jié)果是：b=2;a=1或者b=3;a=3；這兩種都是正常現(xiàn)象，但還有可能是會(huì)輸出結(jié)果是：b=2;a=3以及b=3;a=1；

Person類所定義的變量a和b，按照J(rèn)VM內(nèi)存區(qū)域劃分，在對(duì)象實(shí)例化后則都是存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)堆中；
按照我們上述關(guān)于線程工作內(nèi)存的解釋來(lái)看，此時(shí)線程在執(zhí)行change()方法和print()方法時(shí)，由于兩個(gè)方法都有關(guān)于外部變量的引用，所以需要copy主內(nèi)存中的這兩個(gè)變量副本到對(duì)應(yīng)的線程工作內(nèi)存中進(jìn)行操作，執(zhí)行完以后再同步至主內(nèi)存中。

此時(shí)在A線程執(zhí)行完change()方法后，a=3，b=3；但此時(shí)a=3在執(zhí)行完成后還沒(méi)有同步到主內(nèi)存，但b=3此時(shí)已經(jīng)提供至主內(nèi)存了，那么此時(shí)B線程執(zhí)行print()數(shù)據(jù)輸出后，則得到的是結(jié)果是：b=3;a=1；同理也可以得到b=2;a=3的可能性結(jié)果；所以此處則由于線程共享變量的可見(jiàn)性問(wèn)題，而導(dǎo)致了上述的問(wèn)題；

正是由于存在上述所提到的線程并發(fā)所可能引起的種種問(wèn)題，所以JDK則也有了后續(xù)的一系列多線程玩法：ThreadLocal,CountDownLatch,ReentrantLock,Unsafe,synchronized,volatile,Executor,Future 這些供開(kāi)發(fā)者在開(kāi)發(fā)程序時(shí)用來(lái)對(duì)多線程保駕護(hù)航的助手類，以及JDK已經(jīng)自身開(kāi)發(fā)好的支持線程安全的一些工具類，StringBuffer,CopyOnWriteArrayList, ConcurrentHashMap,AtomicInteger等，供開(kāi)發(fā)者開(kāi)箱即用；后續(xù)針對(duì)這些JDK自身所提供的一些類的玩法會(huì)做進(jìn)一步說(shuō)明，順便系統(tǒng)整理下腦中的信息,形成有效的知識(shí)結(jié)構(gòu)；End；

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