【JavaEE】并发编程（多线程）线程安全问题&内存可见性&指令重排序

2023-02-17 96

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简介： 【JavaEE】并发编程（多线程）线程安全问题&内存可见性&指令重排序

第一个问题：什么是线程安全问题？

线程安全就是多线程访问时，采用了加锁机制，当一个线程访问该类的某个数据时，进行保护，其他线程不能进行访问直到该线程读取完，其他线程才可使用。不会出现数据不一致或者数据污染。线程不安全就是不提供数据访问保护，有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据。

第二个问题：为什么会出现线程安全问题？

出现线程安全的问题的根源其实是在于我们之前说过的多线程“抢占式执行，随机调度”的特性决定的。当我们在使用多线程进行编程的时候，是躲不过这一“万恶之源”的。我们只可以通过一些编程手段来解决这些线程安全的问题。

我们可以看一下下面这部分的代码。

（这是一个典型的多线程的线程安全问题，里面会出现脏数据，也就是多个线程对同一个变量进行更改的问题）

首先我们来看当我们写两个线程进行更改同一个变量的情况：

1. package Thread;
2. 
3. class Countsum{
4. private static int count=0;
5. public  void CountAdd(){
6.         count++;
7.     }
8. public int getCount(){
9. 
10. return count;
11.     }
12. }
13. public class ThreadDemo15 {
14. public static void main(String[] args) {
15.         Countsum countsum=new Countsum();
16. //第一个线程t1
17. Thread t1 =new Thread(()->{
18. 
19. for (int i = 0; i <50000; i++) {
20.                 countsum.CountAdd();
21.             }
22. 
23.         });
24. //第二个线程t2
25.         Thread t2=new Thread(()->{
26. for(int i=0;i<50000;i++){
27.                 countsum.CountAdd();
28.             }
29.         });
30. //两个线程操作同一个变量
31.         t1.start();
32.         t2.start();
33. //让t1，t2两个线程执行完，再执行main线程，这里让main线程阻塞
34. try {
35.             t1.join();
36.         } catch (InterruptedException e) {
37. throw new RuntimeException(e);
38.         }
39. try {
40.             t2.join();
41.         } catch (InterruptedException e) {
42. throw new RuntimeException(e);
43.         }
44. //打印最后的结果，看和预期值10_0000是否一致。
45.         System.out.println(countsum.getCount());
46.     }
47. 
48. 
49. }

预期值：10_0000

第一次运行：64603

第二次运行：73388

第三次运行：75233

每一次的结果都和预期值相差甚远。这就说明期间发生了脏读了，也揭示了线程的不安全性。

那么具体的过程是怎样变成这样的？

首先我们需要知道count++这个过程到底是怎么实现的。

我们从CPU的角度出发：count++主要是由三个指令实现的

1、（load）把内存中count的值加载到CPU的寄存器当中

2、（add）把寄存器中的数值加1

3、（save）把寄存器中的值放回到内存中，对原来的值进行覆盖。

我们画个示意图：

同样，也正是因为这个过程需要多个步骤来进行实现，就使得多线程的“抢占式执行，随机调度”得以充分发挥作用了。我们都知道排列组合。在这10万次循环中，会有无数种排列的情况出现，所以基本上每一次的结果不会相等，但是不排除相等的情况。

这里我们就列举一种情况来进行说明即可：

比如这种情况：

我们来分析一下这个过程：

假设初始值为0.

如果是正常情况下结果应该是2，但是这里结果却是1。这就和上面的程序是一样的道理。

如果要得到正确结果应该是这种的步骤：

就是像这样的能够得到正确的数据。

第三个问题：如何解决多线程安全问题？

答案：加锁

那么java中加锁的方式有很多种，最常使用的是 synchronized 关键字。我们可以给上述代码的自增函数内部自增操作上加synchronized 关键字或者直接给自增的方法加上synchronized关键字就是加锁成功了。

加锁成功后在看一下程序：

1. package Thread;
2. 
3. class Countsum{
4. private static int count=0;
5. public  void CountAdd(){
6. synchronized (this){
7.             count++;
8.         }
9. 
10.     }
11. public int getCount(){
12. 
13. return count;
14.     }
15. }
16. public class ThreadDemo15 {
17. public static void main(String[] args) {
18.         Countsum countsum=new Countsum();
19. //第一个线程t1
20. Thread t1 =new Thread(()->{
21. 
22. for (int i = 0; i <50000; i++) {
23.                 countsum.CountAdd();
24.             }
25. 
26.         });
27. //第二个线程t2
28.         Thread t2=new Thread(()->{
29. for(int i=0;i<50000;i++){
30.                 countsum.CountAdd();
31.             }
32.         });
33. //两个线程操作同一个变量
34.         t1.start();
35.         t2.start();
36. //让t1，t2两个线程执行完，再执行main线程，这里让main线程阻塞
37. try {
38.             t1.join();
39.         } catch (InterruptedException e) {
40. throw new RuntimeException(e);
41.         }
42. try {
43.             t2.join();
44.         } catch (InterruptedException e) {
45. throw new RuntimeException(e);
46.         }
47. //打印最后的结果，看和预期值10_0000是否一致。
48.         System.out.println(countsum.getCount());
49.     }
50. 
51. 
52. }

这个结果就和我们的预期值一样了。

第四个问题：产生线程不安全的原因有哪些？

1、线程是抢占式执行的，线程间的调度充满随机性。(线程不安全的根本原因)

2、多个线程对同一个变量进行修改操作。

3、针对变量的操作不是原子的，通过加锁操作就是把几个指令打包成一个原子的。

4、内存可见性。

这里需要简单理解一下几个名词：

1）原子性我们可以简单的理解为打包为一个整体

第五个问题：内存可见性问题及解决方案

2）内存可见性

内存可见性问题其实是编译器优化的结果。

我们这里以一个线程读取数字，一个线程修改数字为例：

t线程负责读取istrue的值，main线程负责修改istrue的值。

1. package Thread;
2. 
3. import java.util.Scanner;
4. 
5. public class ThreadDemo16 {
6. public static int istrue=0;
7. public static void main(String[] args) {
8.         Thread t=new Thread(()->{
9. while(istrue==0){
10. 
11.             }
12.             System.out.println("t线程结束！");
13.         });
14.         t.start();
15.         Scanner scanner=new Scanner(System.in);
16.         System.out.println("请输入一个数字:");
17.         istrue=scanner.nextInt();
18.         System.out.println("main线程执行完毕");
19. 
20.     }
21. }

我们看一下执行结果：

当我们输入一个5的时候，我们原来是应该让t线程结束的，然而main线程结束后，t线程却进入了死循环当中，也就是说，此时的istrue还是0，并没有得到修改。这到底是什么原因导致的呢？

原因是这样的：由于从内存中读是要比从寄存器中读慢很多的（好几个数量级吧大概）这里的t线程需要不断的循环读取istrue的值，如果我们的main线程不做出修改，那么t线程读取到的值就一直是一样的值。于是编译器就可能会进行优化，让t线程直接从寄存器中读取数据，也就是省去了load的操作，这一大胆的行为使得后续我们对istrue进行的修改都无法让t线程感知到，也就是说修改失去了作用。所以t线程并不会终止。

那么如何解决内存可见性的问题呢？

1、使用synchronized 关键字。synchronized 不光能够保证原子性，同时也能够保证内存可见性。被synchronized 包裹起来的代码，编译器就不敢轻易做出上述假设，就相当于手动禁止了编译器的优化。

2、使用volatile关键字。volatile和原子性无关，但是能够保证内存可见性。使得编译器每次都要重新从内存中读取istrue的值。

方案一：使用volatile关键字（最常用）

public static volatile int istrue=0;

方案二：使用synchronized关键字

有时候我们也可以使用一些别的操作，比如sleep啊等等的，不过这些不太可靠哈。

1. while(istrue==0){
2. try {
3.                         Thread.sleep(1000);
4.                     } catch (InterruptedException e) {
5. throw new RuntimeException(e);
6.                     }
7. 
8.                 }

编译器优化总的来说还是比较玄学的！！！

说到这，还有一个由编译器优化引发的问题！！!

第六个问题：指令重排序问题？

指令重排序问题听着挺吓人，其实就是个排序问题罢了。

指令重排序是编译器优化的结果，编译器会对我们写的代码进行重排序从而来提高编译的效率，但是有时候一旦发生指令重排序，就可能会使得程序与我们预期的结果不同了。（在单线程中指令的重排序不会产生太大的影响，但是在多线程中容易出现严重bug，需要多注意！）我们要保证逻辑不变，对顺序进行调整。（使用synchronized可以进行禁止指令的重排序）