概述

多線程三大特性：原子性睬涧、可見性、有序性旗唁。

1. 原子性

原子性是指：多個(gè)操作作為一個(gè)整體畦浓，不能被分割與中斷，也不能被其他線程干擾检疫。如果被中斷與干擾讶请，則會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常、邏輯異常屎媳。

多個(gè)操作合并的整體夺溢，我們稱之為復(fù)合操作。一個(gè)復(fù)合操作烛谊，往往存在前后依賴關(guān)系风响，后一個(gè)操作依賴上一個(gè)操作的結(jié)果。如果上一個(gè)操作結(jié)果被其他線程干擾丹禀，對(duì)于當(dāng)前線程看來整個(gè)復(fù)合操作的結(jié)果便不符合預(yù)期状勤。同理線程也不能在復(fù)合操作中間被中斷，中斷必須發(fā)生在進(jìn)入復(fù)合操作之前或者等到復(fù)合操作結(jié)束之后双泪。

保證原子性就是在多線程環(huán)境下持搜，保證單個(gè)線程執(zhí)行復(fù)合操作符合預(yù)期邏輯。

典型的復(fù)合操作：『先檢查后執(zhí)行』和『讀取—修改—寫入』

1.1 先檢查后執(zhí)行

@NotThreadSafe
public class LazyInitClass {
    private static LazyInitClass instance ;

    public static LazyInitClass getInstance() {
        if(instance == null)
            instance = new LazyInitClass() ;

        return instance ;
    }
}

LazyInitClass 的 getInstance 中包含先檢查后執(zhí)行的復(fù)合操作攒读，通常我們也可以稱 getInstance 中包含競(jìng)態(tài)條件朵诫。假設(shè)線程 A 和線程 B 同時(shí)執(zhí)行 getInstance辛友。A 看到 instance 為空薄扁，便執(zhí)行 new LazyInitClass() 邏輯。A 還未完成初始化并設(shè)置 instance废累，B 檢查 instance邓梅，此時(shí) instance 為空，B 便也會(huì)執(zhí)行 new LazyInitClass()邑滨。那么兩次調(diào)用 getInstance 時(shí)可能會(huì)得到不同的結(jié)果日缨。通常 getInstance 的預(yù)期結(jié)果是多次調(diào)用得到相同的對(duì)象實(shí)例。

LazyInitClass 的 getInstance 方法雖然存在競(jìng)態(tài)條件掖看，多數(shù)情況下并不會(huì)造成業(yè)務(wù)異常匣距，影響僅僅是增加了 JVM 垃圾回收負(fù)擔(dān)而已面哥。這也是多線程問題隱蔽性強(qiáng)且偶發(fā)的原因之一。

但話說回來毅待，編程原則之一就是所有邏輯都必須建立在確定性之上尚卫，任何建立在不確定性上的邏輯都是隱患。雖然從業(yè)務(wù)上看多數(shù)情況下沒問題尸红，但競(jìng)態(tài)條件的存在吱涉，讓代碼邏輯建立在不確定性之上。作為編碼者應(yīng)該重視此類問題外里。

1.2 讀取—修改—寫入

@NotThreadSafe
public class ReadModifyAndWriteClass {
    private int count = 0 ;

    public int increase() {
        return count++ ;
    }
}

由于 i++ 本身不是原子操作怎爵，屬于復(fù)合操作。ReadModifyAndWriteClass 的 increase 包含了讀取—修改—寫入盅蝗。假設(shè)線程 A 和線程 B 同時(shí)執(zhí)行 increase鳖链。A 看到 count 為 0，執(zhí)行 ++ 邏輯墩莫。當(dāng) ++ 操作還未完成撒轮，此時(shí) B 讀取 count 看到的仍然是 0。A贼穆、B 各自完成 ++ 邏輯后题山，count 的值等于 1。這就造成了雖然調(diào)用了兩次 increase 方法故痊，但 count 只增加了 1顶瞳。這也與預(yù)期：每調(diào)用一次 increase，count 增加 1 的結(jié)果不符愕秫。

2. 可見性

可見性問題是指慨菱，一個(gè)線程修改的共享變量，其他線程是否能夠立刻看到戴甩。對(duì)于串行程序而言符喝，并不存在可見性問題，前一個(gè)操作修改的變量甜孤，后一個(gè)操作一定能讀取到最新值协饲。但在多線程環(huán)境下如果沒有正確的同步則不一定。

有很多因素會(huì)使得線程無法立即看到甚至永遠(yuǎn)無法看到另一個(gè)線程的操作結(jié)果缴川。在編譯器中生成的指令順序茉稠，可以與源代碼中的順序不同，此外編譯器還會(huì)把變量保存在寄存器而非內(nèi)存中把夸；處理器可以采用亂序或并行等方式來執(zhí)行指令而线；緩存可能會(huì)改變將寫入變量提交到主內(nèi)存的次序；而且，保存在處理器本地緩存中的值膀篮，對(duì)于其他處理器是不可見的嘹狞。這些因素都會(huì)使得一個(gè)線程無法看到變量的最新值，并且會(huì)導(dǎo)致其他線程中的內(nèi)存操作似乎在亂序執(zhí)行誓竿。

2.1 緩存引起的可見性

multi-core processor.png

上圖是多核 CPU 內(nèi)存圖刁绒，其中 individual memory 表示核心多級(jí)緩存。main memory 表示主內(nèi)存烤黍，即共享內(nèi)存知市。共享內(nèi)存（shared memory）是線程之間共享的內(nèi)存，也稱為堆內(nèi)存（heap memory）速蕊。所有實(shí)例域（instance fields）嫂丙、靜態(tài)域（static fields）和數(shù)組元素（array elements）都保存在堆內(nèi)存中。

A 線程與 B 線程共同操作共享變量 V（初始值為 0）规哲，A跟啤、B 線程分別將 V 變量從主內(nèi)存復(fù)制到 CPU 內(nèi)核的多級(jí)緩存中，此時(shí) A 與 B 都讀到 V 的值為 0唉锌。A 更新自己的 individual memory 中的 V 的值為 1隅肥，此時(shí)如果沒有將 V 值同步至主內(nèi)存中，B 從自己的 individual memory 中讀到 V 的值仍然為 0袄简。當(dāng) V 值同步到主內(nèi)存后腥放，多級(jí)緩存失效，此時(shí) B 才能夠從主內(nèi)存中讀取到最新的 V 值為 1绿语。由于多線程環(huán)境下何時(shí)將多級(jí)緩存同步到主內(nèi)存時(shí)間上不確定秃症，所以造成了可見性問題，即 A 線程對(duì)共享變量 V 的寫操作吕粹，位于寫操作后執(zhí)行的 B 線程的讀操作不能立即感知种柑。

3. 有序性

有序性問題是指從觀察到的結(jié)果推測(cè)，代碼執(zhí)行的順序與代碼組織的順序不一致匹耕。

3.1 指令重排序引起的有序性問題

在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中聚请，為了提高執(zhí)行部件的處理速度，經(jīng)常在部件中采用流水線技術(shù)稳其。所謂流水線技術(shù)驶赏，是指將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程，分解成若干個(gè)子過程欢际，而每一個(gè)子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時(shí)執(zhí)行母市。

以 DLX 指令集結(jié)構(gòu)為例，一條指令的執(zhí)行簡(jiǎn)單說可以分為以下幾個(gè)步驟：

1. 取指令（IF）
2. 指令譯碼/讀寄存器（ID）
3. 執(zhí)行/有效地址計(jì)算（EX）
4. 存儲(chǔ)器訪問/分支完成（MEM）
5. 寫回（WB）

指令流水線

由上圖所示，如果沒有指令流水線，指令2 需要等待指令1 完全執(zhí)行完成后執(zhí)行浑槽。假設(shè)每一個(gè)步驟（子過程）需要花費(fèi) 1 個(gè) CPU 時(shí)鐘周期蒋失，則指令2 需要等待 5 個(gè)時(shí)鐘周期。而使用指令流水線后篙挽，指令2 只需等待 1 個(gè)時(shí)鐘周期就可以開始執(zhí)行。指令2 開始執(zhí)行時(shí)镊靴，指令1 根本還沒開始執(zhí)行铣卡，僅僅完成了取指操作而已。這僅僅是 DLX 指令集結(jié)構(gòu)的流水線偏竟，實(shí)際商用 CPU 的流水線級(jí)別甚至可以達(dá)到 10 級(jí)以上煮落，性能提升可謂是非常明顯。

由于流水線技術(shù)的引入踊谋，不得不面對(duì)流水線的三種類型的相關(guān)：結(jié)構(gòu)相關(guān)蝉仇、數(shù)據(jù)相關(guān)、控制相關(guān)殖蚕。

1. 結(jié)構(gòu)相關(guān)：當(dāng)指令在重疊執(zhí)行過程中轿衔，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求，發(fā)生資源沖突時(shí)將產(chǎn)生“結(jié)構(gòu)相關(guān)”睦疫。
2. 數(shù)據(jù)相關(guān)：當(dāng)一條指令需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果害驹，而這些指令均在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，就可能引起“數(shù)據(jù)相關(guān)”蛤育。
3. 控制相關(guān)：當(dāng)流水線遇到分支指令和其他會(huì)改變 PC 值的指令時(shí)就會(huì)發(fā)生“控制相關(guān)”裙秋。

一旦流水線中出現(xiàn)相關(guān)，指令在流失線中的執(zhí)行就會(huì)出現(xiàn)問題缨伊，消除相關(guān)的最基本方法是讓流水線中的某些指令暫停執(zhí)行摘刑。一旦暫停，所有硬件設(shè)備都會(huì)進(jìn)入一個(gè)停頓周期刻坊，直接影響是性能的下降枷恕。

我們說的指令重排序就是在產(chǎn)生數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)替代流水線暫停的重要方法。指令重排序僅僅是減少流水線暫停技術(shù)的一種谭胚，在 CPU 設(shè)計(jì)中還有很多其他軟硬件技術(shù)來防止流水線暫停徐块。

A=B+C執(zhí)行流程

可以看到，ADD 指令的流水線上出現(xiàn)了一個(gè) stall橙困，表示一個(gè)暫停瞧掺。之所以出現(xiàn)暫停，是因?yàn)?R2 的數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好（ LW R2, C 的操作還沒完成 ）凡傅。由于 ADD 暫停的出現(xiàn)辟狈，后續(xù)的操作都暫停了一個(gè)周期。

復(fù)雜計(jì)算執(zhí)行流程

指令重排序以消除暫停

消除流水線暫停后

雖然指令重排序會(huì)導(dǎo)致有序性問題，但指令重排序?qū)π阅艿奶岣哂蟹浅Ｖ卮蟮囊饬x懂鸵。

3.2 CPU 緩存引起的有序性問題

2.1 節(jié)已經(jīng)討論過 CPU 緩存導(dǎo)致的可見性問題偏螺。CPU 緩存也會(huì)導(dǎo)致有序性問題。

CPU 緩存引起的有序性

從結(jié)果推測(cè) Thread1 中的 D = true 先于 A = b + c 執(zhí)行了。

當(dāng) D = true 執(zhí)行完成后续镇，A = b + c 還沒來得及執(zhí)行美澳，此時(shí) Thread2 輸出 A 的值，才會(huì)出現(xiàn)結(jié)果為 0 的情況摸航。

分析：Thread1 將 A制跟、D 共享變量從主內(nèi)存復(fù)制到當(dāng)前 CPU 內(nèi)核的多級(jí)緩存中，按順序執(zhí)行完 A = b + c 和 D = true 后酱虎，多級(jí)緩存中 A = 2, D = true雨膨。然后 Thread1 將 D 的值優(yōu)先同步到主緩存，A 的值沒有同步到主緩存读串。此時(shí) Thread2 執(zhí)行聊记，能看到 D 的最新值 true撒妈，卻不能看到 A 的最新值，只能看到主緩存中 A 的初始值 0甥雕。

所以從 Thread2 看踩身，Thread1 線程的執(zhí)行出現(xiàn)了有序性問題胀茵，但從 Thread1 看社露，自己的確是按照代碼組織順序執(zhí)行的。

4. 總結(jié)

本章詳細(xì)講解了多線程的三大特性：原子性琼娘、可見性峭弟、有序性。想要正確編寫多線程程序脱拼，一定要正確理解這三大特性瞒瘸。

5. 參考資料

1. 《The Java? LanguageSpecification Java SE 8 Edition》作者：James Gosling、Bill Joy熄浓、Guy Steele情臭、Gilad Bracha、Alex Buckley
2. 《Java Concurrency in Practice》作者：Brain Goetz赌蔑、Tim Peierls俯在、Joshua Bloch、Joseph Bowbeer娃惯、David Holmes跷乐、Doug Lea
3. 《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》作者：張晨曦、王志英趾浅、張春元愕提、戴葵、朱海濱