資深架構(gòu)師解讀Java多線程與并發(fā)模型之共享對象
原創(chuàng)【51CTO.com原創(chuàng)稿件】互聯(lián)網(wǎng)上充斥著對Java多線程編程的介紹，每篇文章都從不同的角度介紹并總結(jié)了該領(lǐng)域的內(nèi)容。但大部分文章都沒有說明多線程的實(shí)現(xiàn)本質(zhì)，沒能讓開發(fā)者真正“過癮”。上篇內(nèi)容從Java的線程安全鼻祖內(nèi)置鎖介紹開始，讓你了解內(nèi)置鎖的實(shí)現(xiàn)邏輯和原理以及引發(fā)的性能問題，本篇接著說明Java多線程編程中鎖的存在是為了保障共享變量的線程安全使用。下面讓我們進(jìn)入正題。
以下內(nèi)容如無特殊說明均指代Java環(huán)境。
第二部分：共享對象
使用Java編寫線程安全的程序關(guān)鍵在于正確的使用共享對象，以及安全的對其進(jìn)行訪問管理。在第一章我們談到Java的內(nèi)置鎖可以保障線程安全，對于其他的應(yīng)用來說并發(fā)的安全性是在內(nèi)置鎖這個“黑盒子”內(nèi)保障了線程變量使用的邊界。談到線程的邊界問題，隨之而來的是Java內(nèi)存模型另外的一個重要的含義，可見性。Java對可見性提供的原生支持是volatile關(guān)鍵字。
volatile關(guān)鍵字
volatile關(guān)鍵字是Java語言提供的原生實(shí)現(xiàn)，可以理解為“易變的”。首先看一個例子：
- public class Share {
- private static boolean ready;
- private static int number;
- private static class Node extends Thread {
- public void run() {
- while (!ready)
- Thread.yield();
- System.out.println(number);
- }
- }
- public static void main(String[] args) {
- new Node().start();
- number = 10;
- ready = true;
- }
- }
代碼2.1：變量的可見性問題
在代碼2.1中，可以看到按照正常的邏輯應(yīng)該打印10之后線程停止，但是實(shí)際的情況可能是打印出0或者程序永遠(yuǎn)不會被終止掉。其原因是沒有使用恰當(dāng)?shù)耐綑C(jī)制以保障線程的寫入操作對所有線程都是可見的。
我們一般將volatile理解為synchronized的輕量級實(shí)現(xiàn)，在多核處理器中可以保障共享變量的“可見性”，但是不能保障原子性。關(guān)于原子性問題在該章節(jié)的程序變量規(guī)則會加以說明，下面我們先看下Java的內(nèi)存模型實(shí)現(xiàn)以了解JVM和計(jì)算機(jī)硬件是如何協(xié)調(diào)共享變量的以及volatile變量的可見性。
Java內(nèi)存模型
我們都知道現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都是馮諾依曼結(jié)構(gòu)的，所有的代碼都是順序執(zhí)行的。如果計(jì)算機(jī)需要在CPU中運(yùn)算某個指令，勢必就會涉及對數(shù)據(jù)的讀取和寫入操作。由于程序數(shù)據(jù)的大部分內(nèi)容都是存儲在主內(nèi)存（RAM）中的，在這當(dāng)中就存在著一個讀取速度的問題，CPU很快而主內(nèi)存相對來說（相對CPU）就會慢上很多，為了解決這個速度階梯問題，各個CPU廠商都在CPU里面引入了高速緩存來優(yōu)化主內(nèi)存和CPU的數(shù)據(jù)交互。
此時當(dāng)CPU需要從主內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)時，會拷貝一份到高速緩存中，CPU計(jì)算時就可以直接在高速緩存中進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫入，提高吞吐量。當(dāng)數(shù)據(jù)運(yùn)行完成后，再將高速緩存的內(nèi)容刷新到主內(nèi)存中，此時其他CPU看到的才是執(zhí)行之后的結(jié)果，但在這之間存在著時間差。
看這個例子：
int counter = 0;
counter = counter + 1;
代碼2.2：自增不一致問題
代碼2.2在運(yùn)行時，CPU會從主內(nèi)存中讀取counter的值，復(fù)制一份到當(dāng)前CPU核心的高速緩存中，在CPU執(zhí)行完成加1的指令之后，將結(jié)果1寫入高速緩存中，最后將高速緩存刷新到主內(nèi)存中。這個例子代碼在單線程的程序中將正確的運(yùn)行下去。
但我們試想這樣一種情況，現(xiàn)在有兩個線程共同運(yùn)行該段代碼，初始化時兩個線程分別從主內(nèi)存中讀取了counter的值0到各自的高速緩存中，線程1在CPU1中運(yùn)算完成后寫入高速緩存Cache1，線程2在CPU2中運(yùn)算完成后寫入高速緩存Cache2，此時counter的值在兩個CPU的高速緩存中的值都是1。
此時CPU1將值刷新到主內(nèi)存中，counter的值為1，之后CPU2將counter的值也刷新到主內(nèi)存，counter的值覆蓋為1，最終的結(jié)果計(jì)算counter為1（正確的兩次計(jì)算結(jié)果相加應(yīng)為2）。這就是緩存不一致性問題。這會在多線程訪問共享變量時出現(xiàn)。
解決緩存不一致問題的方案：
-
通過總線鎖LOCK#方式。
-
通過緩存一致性協(xié)議。
圖2.1 ：緩存不一致問題
圖2.1中提到的兩種內(nèi)存一致性協(xié)議都是從計(jì)算機(jī)硬件層面上提供的保障。CPU一般是通過在總線上增加LOCK#鎖的方式，鎖住對內(nèi)存的訪問來達(dá)到目的，也就是阻塞其他CPU對內(nèi)存的訪問，從而使只有一個CPU能訪問該主內(nèi)存。因此需要用總線進(jìn)行內(nèi)存鎖定，可以分析得到此種做法對CPU的吞吐率造成的損害很嚴(yán)重，效率低下。
隨著技術(shù)升級帶來了緩存一致性協(xié)議，市場占有率較大的Intel的CPU使用的是MESI協(xié)議，該協(xié)議可以保障各個高速緩存使用的共享變量的副本是一致的。其實(shí)現(xiàn)的核心思想是：當(dāng)在多核心CPU中訪問的變量是共享變量時，某個線程在CPU中修改共享變量數(shù)據(jù)時，會通知其他也存儲了該變量副本的CPU將緩存置為無效狀態(tài)，因此其他CPU讀取該高速緩存中的變量時，發(fā)現(xiàn)該共享變量副本為無效狀態(tài)，會從主內(nèi)存中重新加載。但當(dāng)緩存一致性協(xié)議無法發(fā)揮作用時，CPU還是會降級使用總線鎖的方式進(jìn)行鎖定處理。
一個小插曲：為什么volatile無法保障的原子性
我們看下圖2.2，CPU在主內(nèi)存中讀取一個變量之后，拷貝副本到高速緩存，CPU在執(zhí)行期間雖然識別了變量的“易變性”，但是只能保障最后一步store操作的原子性，在load，use期間并未實(shí)現(xiàn)其原子性操作。
圖2.2：數(shù)據(jù)加載和內(nèi)存屏障
JVM為了使我們的代碼得到最優(yōu)的執(zhí)行體驗(yàn)，在進(jìn)行自我優(yōu)化時，并不保障代碼的先后執(zhí)行順序（滿足Happen-Before規(guī)則的除外），這就是“指令重排”，而上面提到的store操作保障了原子性，JVM是如何實(shí)現(xiàn)的呢？其原因是這里存在一個“內(nèi)存屏障”的指令（以后我們會談到整個內(nèi)容），這個是CPU支持的一個指令，該指令只能保障store時的原子性，但是不能保障整個操作的原子性。
從整個小插曲中，我們看到了volatile雖然有可見性的語義，但是并不能真正的保證線程安全。如果要保證并發(fā)線程的安全訪問，需要符合并發(fā)程序變量的訪問規(guī)則。
并發(fā)程序變量的訪問規(guī)則
1. 原子性
程序的原子性和數(shù)據(jù)庫事務(wù)的原子性有著同樣的意義，可以保障一次操作要么全部執(zhí)行成功，要不全部都不執(zhí)行。
2. 可見性
可見性是微妙的，因?yàn)樽罱K的結(jié)果總是和我們的直覺大相徑庭，當(dāng)多個線程共同修改一個共享變量的值時，由于存在高速緩存中的變量副本操作，不能及時將數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存，導(dǎo)致當(dāng)前線程在CP中的操作結(jié)果對其他CPU是不可見狀態(tài)。
3. 有序性
有序性通俗的理解就是程序在JVM中是按照順序執(zhí)行的，但是前面已經(jīng)提到了JVM為了優(yōu)化代碼的執(zhí)行速度，會進(jìn)行“指令重排”。在單線程中“指令重排”并不會帶來安全問題，但在并發(fā)程序中，由于程序的順序不能保障，運(yùn)行過程中可能會出現(xiàn)不安全的線程訪問問題。
綜上，要想在并發(fā)編程環(huán)境中安全的運(yùn)行程序，就必須滿足原子性、可見性和有序性。只要以上任何一點(diǎn)沒有保障，那程序運(yùn)行就可能出現(xiàn)不可預(yù)知的錯誤。最后我們介紹一下Java并發(fā)的“殺手锏”，Happens-Before法則，符合該法則的情況下可以保障并發(fā)環(huán)境下變量的訪問規(guī)則。
Happens-Before法則：
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程序次序法則：線程中的每個動作A都Happens-Before于該線程中的每一個動作B，在程序中，所有的動作B都出現(xiàn)在動作A之后。
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Lock法則：對于一個Lock的解鎖操作總是Happens-Before于每一個后續(xù)對該Lock的加鎖操作。
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volatile變量法則：對于volatile變量的寫入操作Happens-Before于后續(xù)對同一個變量的讀操作。
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線程啟動法則：在一個線程里，對Thread.start()函數(shù)的調(diào)用會Happens-Before于每一個啟動線程中的動作。
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線程終結(jié)法則：線程中的任何動作都Happens-Before于其他線程檢測到這個線程已經(jīng)終結(jié)或者從Thread.join()函數(shù)調(diào)用中成功返回或者Thread.isAlive()函數(shù)返回false。
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中斷法則：一個線程調(diào)用另一個線程的interrupt總是Happens-Before于被中斷的線程發(fā)現(xiàn)中斷。
-
終結(jié)法則：一個對象的構(gòu)造函數(shù)的結(jié)束總是Happens-Before于這個對象的finalizer（Java沒有直接的類似C的析構(gòu)函數(shù)）的開始。
-
傳遞性法則：如果A事件Happens-Before于B事件，并且B事件Happens-Before于C事件，那么A事件Happens-Before于C事件。
當(dāng)一個變量在多線程競爭中被讀取和存儲，如果并未按照Happens-Before的法則，那么他就會存在數(shù)據(jù)競爭關(guān)系。
總結(jié)
關(guān)于Java的共享變量的內(nèi)容就介紹到這里，現(xiàn)在你已經(jīng)明白Java的volatile關(guān)鍵字的含義了，了解了為什么volatile不能保障原子性的原因了，了解了Happens-Before規(guī)則能讓我們的Java程序運(yùn)行的更加安全。
通過這兩節(jié)內(nèi)容希望可以幫助你更深入的了解Java的并發(fā)概念中的內(nèi)置鎖和共享變量。Java的并發(fā)內(nèi)容還有很多，例如在某些場景下比synchronized效率要更高的Lock，阻塞隊(duì)列，同步器等。
參考文獻(xiàn)：
《Java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》
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作者簡介
魏靚：現(xiàn)就職于五阿哥（www.wuage.com）任職專職架構(gòu)師工作，負(fù)責(zé)平臺的基礎(chǔ)設(shè)施搭建工作。
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