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原文作者：Coder_Ring

本文講述java中并發(fā)編程的幾個(gè)概念：java內(nèi)存模型课兄，原子性猾编，重排序置森，可見(jiàn)性芯义，以及探討重排序?qū)е碌木€程安全問(wèn)題。

原子性是什么？

即使在多個(gè)線程一起執(zhí)行的時(shí)候亦不可中斷篡石、不可分割的操作稱(chēng)為原子操作，一個(gè)操作如果是原子操作西采，我們就稱(chēng)它具有原子性凰萨。

那么，什么樣的操作才是原子操作呢械馆？

代碼中的一條語(yǔ)句并不一定是原子操作胖眷，比如：i++語(yǔ)句不是原子操作，因?yàn)閕++其實(shí)在計(jì)算機(jī)CPU中是拆分成多個(gè)如下操作：

• 讀取內(nèi)存中變量i
• 對(duì)i進(jìn)行+1操作
• 將i+1后的結(jié)果存回內(nèi)存

java字節(jié)碼class在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)被解釋成特定機(jī)器上的匯編指令霹崎。從匯編指令的角度看珊搀，每個(gè)原子操作對(duì)應(yīng)一條匯編指令：

mov ax,[i] ; 將內(nèi)存中的i的值讀取到CPU內(nèi)寄存器ax中
inc ax   ; ax寄存器的值自加一
mov [i],ax ；將ax的內(nèi)容存入i所在的地址的內(nèi)存中

另外尾菇，java內(nèi)存模型不保證64位的long和double類(lèi)型的變量的寫(xiě)操作具有原子性境析，在不同的機(jī)器中處理器和總線的工作機(jī)制不同，比如32位機(jī)中派诬，對(duì)64位的long和double的寫(xiě)可能被拆分成兩個(gè)原子操作劳淆。

重排序

定義：重排序指的是在運(yùn)行的過(guò)程中苞轿，指令沒(méi)有按照編寫(xiě)的順序依次執(zhí)行端仰，而是重新排序執(zhí)行。

重排序有以下幾種情況：

• 編譯器重排序
• 指令級(jí)重排序
• 內(nèi)存系統(tǒng)重排序

編譯器重排序

在執(zhí)行程序時(shí)灯谣，為了提高性能缆八，編譯器會(huì)對(duì)程序的字節(jié)碼進(jìn)行優(yōu)化谒臼。對(duì)生成的機(jī)器指令進(jìn)行重排序，以提高性能耀里。

指令級(jí)重排序

程序解釋出來(lái)的匯編指令實(shí)際上并不是按順序執(zhí)行的蜈缤，現(xiàn)代CPU也會(huì)對(duì)解釋的匯編指令進(jìn)行重新排序，以充分利用CPU冯挎，提高CPU對(duì)程序的吞吐率底哥，進(jìn)而提高程序的運(yùn)行效率。

內(nèi)存系統(tǒng)重排序

在內(nèi)存層面上房官，也是存在重排序趾徽，由于可見(jiàn)性問(wèn)題，代碼看上去好像在內(nèi)存中發(fā)生了重排序翰守。

從源碼到最終執(zhí)行的過(guò)程孵奶，各種重排序的順序如下：

可見(jiàn)性是什么？

定義：可見(jiàn)性是指一個(gè)線程修改了某個(gè)共享的變量蜡峰，在另一個(gè)線程中可立刻知道這個(gè)變量被修改了袁。

多線程程序中一個(gè)線程對(duì)于共享變量的修改可能會(huì)導(dǎo)致不可見(jiàn)性朗恳。

沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)可見(jiàn)性的可能會(huì)說(shuō)多線程共享變量的修改，對(duì)其他線程不是可以感知到嗎载绿？既然是共享變量粥诫，為什么不能知道修改？請(qǐng)注意崭庸！定義中講的是立刻怀浆，即使是共享變量也不一定是實(shí)時(shí)可見(jiàn)的。

請(qǐng)看代碼：

public class TestMain {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        TestThread testThread = new TestThread();
        testThread.start();
        //睡眠1秒
        Thread.sleep(1000);
        //停止線程中的循環(huán)
        testThread.stopSelf();
        //睡眠5秒
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("testThread線程應(yīng)該完成了");
        System.out.println("isStoped: " + testThread.isStoped());
    }
}
class TestThread extends Thread{
    private  boolean stoped = false;
    @Override
    public void run(){
        int i = 0;
        while (!stoped){
            i++;
        }
        System.out.println("我已經(jīng)完成循環(huán)i=" + i);
    }
    public void stopSelf(){
        stoped = true;
    }
    public boolean isStoped(){
        return stoped;
    }
}

這段代碼很短怕享，線程TestThread 的run方法中執(zhí)行的是一個(gè)循環(huán)i++操作执赡，stoped屬性為false則一直死循環(huán)，在主線程中修改stoped的值函筋，并且等待一段時(shí)間后搀玖，按理說(shuō)testThread線程會(huì)執(zhí)行結(jié)束并打印i的值。

看運(yùn)行結(jié)果吧：

結(jié)果只打印了主線程的中的提示語(yǔ)句驻呐，testThread線程并沒(méi)有打印出i,再看看結(jié)果圖灌诅，運(yùn)行圖標(biāo)還是爆紅，并沒(méi)有運(yùn)行結(jié)束含末，testThread還在運(yùn)行猜拾，但是主線程打印的stoped卻是true，這就是不可見(jiàn)性佣盒。

導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)的原因是源于java中的內(nèi)存模型挎袜。

java內(nèi)存模型

java并發(fā)編程藝術(shù)書(shū)中內(nèi)存模型的圖

java線程之間的通信是由java內(nèi)存模型（業(yè)界稱(chēng)JMM）控制

主存（main memory),私有的本地內(nèi)存（local memory）,每個(gè)線程都擁有私有的本地內(nèi)存，該內(nèi)存持有一份主存變量的拷貝肥惭，線程在訪問(wèn)共享變量的時(shí)候盯仪，并不是直接從主存中裝載，而是從本地內(nèi)存中看有無(wú)該變量蜜葱，若無(wú)則才從主存加載全景。本地內(nèi)存是java內(nèi)存模型的一個(gè)抽象概念，不真實(shí)存在牵囤。實(shí)際上物理上的結(jié)構(gòu)是這樣的：

CPU與主存之間存在一層高速緩沖存儲(chǔ)器（cache),它位于CPU內(nèi)部爸黄，是為了解決CPU與內(nèi)存速度不匹配，從而提高運(yùn)行速率揭鳞。

但是在多核CPU計(jì)算機(jī)中每個(gè)CPU都有一個(gè)cache炕贵，多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行時(shí)會(huì)導(dǎo)致不可見(jiàn)性，這里用CPU/cache 重新解釋一下之前的代碼：

假設(shè)CPU 1 執(zhí)行testThread線程野崇，CPU2 執(zhí)行主線程称开，testThread線程和主線程共享布爾變量stoped（初值為false）；testThread線程在CPU1中執(zhí)行乓梨，因此CPU1中的cache保存有一份變量stoped的值,同時(shí)主線程在CPU2中的cache也保存有一份變量stoped的值鳖轰。

剛開(kāi)始是testThread線程先對(duì)stoped進(jìn)行判斷是否為false然后執(zhí)行i++操作清酥，在CPU2中的主線程對(duì)stoped進(jìn)行賦值true操作；然后CPU2將改變后的值寫(xiě)回主存脆霎，但是testThread線程在CPU1運(yùn)行，并沒(méi)有感知到這個(gè)變化狈惫，緩沖區(qū)中的stoped沒(méi)有被改變所以一直沿用睛蛛，才導(dǎo)致死循環(huán)一直執(zhí)行。

要使得共享變量對(duì)于不同線程的一致性胧谈，java中引入了一個(gè)關(guān)鍵字：volatile忆肾。通過(guò)在上面代碼實(shí)例中stoped屬性的聲明處加volatile修飾，即可解決不可見(jiàn)性問(wèn)題菱肖。

private volatile boolean stoped = false;

運(yùn)行結(jié)果：

volatile修飾的屬性客冈，會(huì)在每次修改之后立即通知其他CPU更新該屬性的緩存。這樣就保證了可見(jiàn)性稳强。

可以將volatile看成一個(gè)鎖,對(duì)單個(gè)讀寫(xiě)操作進(jìn)行同步场仲，對(duì)于64位的long和double即使不是原子操作，也會(huì)實(shí)現(xiàn)同步使其寫(xiě)操作具有原子性退疫。對(duì)于其他類(lèi)型變量的修改也是可以將整個(gè)修改的過(guò)程看成一個(gè)臨界區(qū)渠缕，臨界區(qū)中的指令都是同步執(zhí)行的，線程對(duì)于volatile變量的讀和寫(xiě)都要先拿到這個(gè)volatile鎖褒繁，一旦一個(gè)線程修改內(nèi)存中共享變量亦鳞，另一個(gè)線程如果要讀這個(gè)共享變量在緩存區(qū)中的值，需要先判斷volatile鎖的有效性棒坏，即需滿足內(nèi)存可見(jiàn)性燕差。從底層講，volatile修飾的變量在寫(xiě)入CPU寄存器的指令之后插入一條強(qiáng)制寫(xiě)回主存的LOCK指令坝冕，并促使其他CPU刷新緩存徒探。

探討如何防止重排序的發(fā)生

為什么要防止重排序？因?yàn)閷?duì)于編譯器和處理器的重排序喂窟，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致不可見(jiàn)性,并可能導(dǎo)致線程不安全刹帕。

你寫(xiě)的代碼，CPU不能知道你對(duì)于執(zhí)行順序的要求谎替，它會(huì)盡可能的借助重排序?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化偷溺，遵循as-if-serial語(yǔ)義,即所有的指令動(dòng)作都可以為了優(yōu)化而被重排序。

重排序機(jī)制的存在钱贯，必須有一套防止重排序的語(yǔ)義機(jī)制挫掏，因?yàn)橛行r(shí)候，程序員需要保證某些指令的同步執(zhí)行秩命，不能任由編譯器或CPU隨意優(yōu)化尉共。as-if-serial語(yǔ)義的原則是單線程中重排序不會(huì)發(fā)生在有數(shù)據(jù)依賴(lài)的操作中褒傅，比如前面的指令inc ax依賴(lài)于mov ax,[i],編譯器和CPU對(duì)于這類(lèi)指令不會(huì)進(jìn)行重排序。但是對(duì)于如下的代碼袄友，不同線程間就沒(méi)有保證不發(fā)生重排序殿托。

public class TestMain {
    static int x = 0, y = 0;
    static int a = 0, b = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread one = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                a = 1;
                x = b;
            }
        });

        Thread other = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                b = 1;
                y = a;
            }
        });
        one.start();
        other.start();
        one.join();
        other.join();
        System.out.println(" ("+x + ","+y + ")");
    }
}

最終x,y的結(jié)果可能是(1,0)、(0,1)剧蚣、（1,1）和(0,0),對(duì)于前三種運(yùn)行結(jié)果支竹，可能你知道為什么，但為什么會(huì)出現(xiàn)(0,0)的結(jié)果呢鸠按？（0,0）結(jié)果出現(xiàn)可能的執(zhí)行順序是這樣的

初始化a = 0,b=0,x=0,y=0
1. x = b
2. y = a
3. a = 1
4. b = 1

首先你可能會(huì)認(rèn)為礼搁，x=b的執(zhí)行是會(huì)在a=1之后才執(zhí)行的，因?yàn)榫€程中的代碼就是順序執(zhí)行的嘛目尖，但是其實(shí)這種想法是錯(cuò)誤的馒吴，重排序機(jī)制的存在，編譯器和處理器認(rèn)為在線程one和線程other中不存在數(shù)據(jù)依賴(lài)瑟曲，因此可能對(duì)其進(jìn)行重排序饮戳，使得線程中的代碼在CPU中實(shí)際執(zhí)行的順序并不是按順序執(zhí)行，在單線程程序中這個(gè)問(wèn)題可能無(wú)法發(fā)現(xiàn)洞拨，但是多線程共享變量的時(shí)候就可能會(huì)暴露出這個(gè)問(wèn)題莹捡。出現(xiàn)(0,0)結(jié)果的具體原因如下：

處理器A將共享變量a=0和x=0寫(xiě)入自己的緩沖區(qū)，處理器B將共享變量b=0,y=0寫(xiě)入自己的緩沖區(qū)中扣甲，然后處理器A先執(zhí)行x=b,會(huì)從內(nèi)存中讀入b=0篮赢，然后x便被賦值為0，然后處理器B先執(zhí)行y=a,從內(nèi)存中讀入a=0,使得y被賦值為0琉挖，最后AB各自執(zhí)行a=1,b=1启泣。主線程打印出來(lái)的x=0,y=0。

java編譯器為了保證數(shù)據(jù)可見(jiàn)性示辈，在生成機(jī)器指令時(shí)寥茫，會(huì)在適當(dāng)?shù)奈恢貌迦?code>內(nèi)存屏障指令來(lái)防止特定類(lèi)型的處理器進(jìn)行重排序。內(nèi)存屏障分為四種：

java內(nèi)存模型中的happens-before

jdk5中引入的新的內(nèi)存模型JSR-133內(nèi)存模型矾麻，它使用happens-before來(lái)闡述內(nèi)存可見(jiàn)性纱耻，在內(nèi)存模型中，如果一個(gè)操作的執(zhí)行結(jié)果需要對(duì)另一個(gè)操作可見(jiàn)险耀，那么這兩個(gè)操作之間就必須存在happens-before關(guān)系,存在的happens-before關(guān)系弄喘，并不要求兩個(gè)操作一定是先后執(zhí)行的關(guān)系。

編譯器就會(huì)做一些內(nèi)存屏障等操作防止重排序甩牺，從而保證happens-before關(guān)系蘑志，happen-before的兩個(gè)操作可以是同一個(gè)線程內(nèi)，也可以是不同線程之間。

以下是happens-before的一些規(guī)則急但，當(dāng)然澎媒，規(guī)范中不止這些規(guī)則，只是提出一些與程序員相關(guān)的規(guī)則波桩。

• 程序順序規(guī)則:一個(gè)線程的每個(gè)操作happens-before于該線程中的任意后續(xù)操作
• 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)于一個(gè)鎖的解鎖戒努，happens-before于隨后對(duì)這個(gè)鎖的加鎖。
• volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile變量的寫(xiě)镐躲，happens-before于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile變量的讀
• 傳遞性：如果A happens-before B储玫，且 B happens-before C，那么A happens-before C

參考

• 《java并發(fā)編程藝術(shù)》
• tech.meituan.com/java-memory-reordering.html

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