Java并发中的可见性和原子性

简介: Java并发中的可见性和原子性

一、可见性



1、实例讲解


先看这样一段代码:

public class Test {
  static boolean a = true;
  public static void main(String[] args) {
    a = false;          //对a执行写操作
    System.out.println(a);    //对a执行读操作
  }
}


f1d77287d3914ab9b8def869d22efd9c.png


我们在单线程中,对a执行了写操作,并且读取到了最新写的值,也就是说,单线程中对a的写操作时可见的。


那么我们再开启一个线程 :

public class Test {
  static boolean a = true;
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    new Thread(()-> {
      while(a) {} //死循环
    }).start();
    Thread.sleep(1000); //为了保证不会影响,停一秒再写    
    a = false;          //对a执行写操作
    System.out.println(a);    //对a执行读操作
  }
}


cc57a8af1dfd4bde82cdf8beb968d9e6.png


可以看到,虽然a仍然打印出为false,但是程序没有结束,就说明在我们新开启的线程中a的值始终为true,他才可以一直执行while循环。换句话说,我们的主线程对a的写操作对于新开的线程的读操作来说是不可见的。


为什么这么长时间了,新开线程中的a还是true呢?那是因为新线程中一直在执行循环,使得线程没有机会去拿到主存中a的最新值,而是一直读取缓存中a的值。


那么,我们让循环沉睡一会儿,给他去读最新值的机会:


public class Test {
  static boolean a = true;
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    new Thread(()-> {
      while(a) {
        try {
          Thread.sleep(1);  //睡1ms,给线程去读新值的机会
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      } //死循环
    }).start();
    Thread.sleep(1000); //为了保证不会影响,停一秒再写    
    a = false;          //对a执行写操作
    System.out.println(a);    //对a执行读操作
  }
}


91fe63e00df8484bb87b4c17bc5f255b.png


可以看到,程序很快就结束了,说明新线程已经读到了a的新值为false,结束了循环。


2、如何理解Java线程中的不可见性?


简单来说:线程1读,线程2写,而线程1读不到线程2写的值,这就是不可见性。


3、那么如何实现可见性呢?


就需要用到volatile关键字了:


public class Test {
  static volatile boolean a = true;
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    new Thread(()-> {
      while(a) {} //死循环
    }).start();
    Thread.sleep(1000); //为了保证不会影响,停一秒再写    
    a = false;          //对a执行写操作
    System.out.println(a);    //对a执行读操作
  }
}


a0a1288a0b0c486a8d48fb0338b06c0b.png


二、原子性



保证可见性可以保证一个线程写之后,另一个线程可以读到。


那假如一个进程既读取变量,又依赖读到的变量进行写操作呢?我们来看下面的例子 :


1、实例讲解


用两个线程分别执行10000次a++的操作,按道理来说,a的结果应该会增加20000


public class Test {
  static int a = 0;
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    for(int i=0; i<10000; i++) {
      new Thread(()-> {
        a++;
      }).start();
      new Thread(()-> {
        a++;
      }).start();
    }   
    Thread.sleep(1000); //为了保证不会影响,停一秒再写    
    System.out.println(a);    //对a执行读操作
  }
}


4ae4bc43f4ae4bd3a2297209007c4f4a.png

可以看到,结果和我们的预期对不上,那我们加上volatile关键字试一下:


bf020e6b3b124949bbb0a5b659f6db9b.pngd1b6dd17895245a38eee877778cea203.png

结果还是对不上,这是为什么呢?

这就要探究a++的本质了


2、a++的本质

     

a++可以拆分为三个操作:1、读取a; 2、a+1; 3、将加之后的值赋给a


有可能会出现这种情况:


       1、当a=0时,线程1读取a值,线程2也读取a值;

       2、线程1将它读到的a值+1,此时为1,线程2也将它读到的a值+1,此时为1;

       3、线程1将1这个值刷入主存,此时主存中的a=1;线程2也将1这个值刷入主存,此时为1


这显然是不对的,两个线程各执行一次a++,a的值应该+2才对。刚刚我们得到的值为19998,可能就是有两个线程在其他线程+之前读取到了a值。


那加上volatile关键字之后呢?


volatile关键字只能保证可见性,即一个线程写过之后,另一个线程能够立马读到。而假如线程2操作在线程1操作写之前就已经读了,那还是没办法改变这个情况。这两个线程都需要读取主存的值,并且每个线程都依赖自己读取的值进行写操作。这就需要保证原子性了。


3、使用Atomicxxxx保证原子性:


public class Test {
  static AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    for(int i=0; i<10000; i++) {
      new Thread(()-> {
        a.getAndAdd(1);
      }).start();
      new Thread(()-> {
        a.getAndAdd(1);
      }).start();
    }   
    Thread.sleep(1000); //为了保证不会影响,停一秒再写    
    System.out.println(a);    //对a执行读操作
  }
}


540047ec940743c988600d02d3a63dd0.png

可以看到,a++的操作改成了getAndAdd(),读和写是一起执行的,这就不会在读值之后写值之前被其他线程插一杠子。


需要注意的一点是,原子性和可见性并不是相互独立的,保证原子性的前提是保证可见性,那为什么我们没有再用volatile修饰a来保证可见性呢?这就需要去看看AtomicInteger的源码了:

6e7d51c461154ee2af35713e6192ec2f.png


其实它的内部也使用了volatile关键字。


4、使用synchronized同步代码段强制实现原子性和可见性


除了Atomic,也可以使用synchronized同步代码段强制实现原子性。


public class Test {
  static AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
  static int b = 0;
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    for(int i=0; i<10000; i++) {
      new Thread(()-> {
//        a.getAndAdd(1);
        synchronized(Test.class) {
          b++;
        }
      }).start();
      new Thread(()-> {
//        a.getAndAdd(1);
        synchronized(Test.class) {
          b++;
        }
      }).start();
    }   
    Thread.sleep(1000); //为了保证不会影响,停一秒再写    
//    System.out.println(a);    //对a执行读操作
    System.out.println(b);    //对b执行读操作
  }
}


相比较Atomic,synchronized就更加重量级了。


另外:volatile不具有传染性,用volatile修饰的对象的内部属性不具有可见性,反之用volatile修饰的内部属性也不能保证所在对象的可见性。


参考:【java】并发之可见性与原子性_哔哩哔哩_bilibili 




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