我們都知道，隨著祖國越來越繁榮昌盛，隨著科技的進步，設(shè)備的更新?lián)Q代，計算機體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯程序都在不斷地改革創(chuàng)新，但始終有一點是不變的：那就是下面三者的性能耗時：CPU < 內(nèi)存 < I/O

但也正因為這些改變，也就在并發(fā)程序中出現(xiàn)了一些詭異的問題，而其中最昭著的三大問題就是：可見性、有序性、原子性。

而今天阿粉我就為大家介紹其中的惡霸之一可見性。

01 可見性的闡述

可見性 的定義是：一個線程對共享變量的修改，另外一個線程能夠立刻看到。

在單核時代，所有線程都在一個CPU上執(zhí)行，所以一個線程的寫，一定是對其它線程可見的。就好比，一個總經(jīng)理下面就一個項目負責(zé)人。

 

 

 

 

此時，項目經(jīng)理查看到任務(wù)G后，分配給員工A和員工B，那么這個任務(wù)的進度就能隨時掌握在項目經(jīng)理手中了;每個員工都能從項目經(jīng)理處得知最新的項目進度。

而在多核時代后，每個CPU都有自己的緩存，這就出現(xiàn)了可見性問題。

 

 

 

 

此時，兩個項目經(jīng)理同時查看到任務(wù)G后，各自分配給自己下屬員工，那么這個任務(wù)的進度就只能掌握在各自項目經(jīng)理手中了，因為所有員工的工作進度并不是匯報給同一個項目經(jīng)理;那么，每個員工只能得知自己項目組員工的工作進度，并不能得知其他項目組的工作進度。所以，當(dāng)多個項目經(jīng)理在做同一個任務(wù)時，就可能出現(xiàn)任務(wù)配比不均、任務(wù)進度拖延、任務(wù)重復(fù)進行等多種問題。

總和上面的例子來講，就是因為進度的不及時更新，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不是最新，導(dǎo)致決策失誤。所以，我們隱約可以看出，內(nèi)存并不直接與Cpu打交道，而是通過高速緩存與Cpu打交道。

cpu <——> 高速緩存 <———> 內(nèi)存

通過一張圖片來表示就是(多核)：

 

 

 

 

下文我們的闡述，若無特殊說明，都是基于多核的。

02 原因分析

可見性問題都是由Cpu緩存不一致為并發(fā)編程帶來，而其中的主要有下面三種情況：

2.1、線程交叉執(zhí)行

線程交叉執(zhí)行多數(shù)情況是由于線程切換導(dǎo)致的，例如下圖中的線程A在執(zhí)行過程中切換到線程B執(zhí)行完成后，再切換回線程A執(zhí)行剩下的操作;此時線程B對變量的修改不能對線程A立即可見，這就導(dǎo)致了計算結(jié)果和理想結(jié)果不一致的情況。

 

 

 

 

2.2、重排序結(jié)合線程交叉執(zhí)行

例如下面這段代碼

 

int a = 0;    //行1 
   int b = 0;    //行2 
   a = b + 10;   //行3 
   b = a + 9;    //行4 

如果行1和行2在編譯的時候改變順序，執(zhí)行結(jié)果不會受到影響;

如果將行3和行4在變異的時候交換順序，執(zhí)行結(jié)果就會受到影響，因為b的值得不到預(yù)期的19;

 

 

 

 

由圖知：由于編譯時改變了執(zhí)行順序，導(dǎo)致結(jié)果不一致;而兩個線程的交叉執(zhí)行又導(dǎo)致線程改變后的結(jié)果也不是預(yù)期值，簡直雪上加霜!

2.3、共享變量更新后的值沒有在工作內(nèi)存及主存間及時更新

因為主線程對共享變量的修改沒有及時更新，子線程中不能立即得到最新值，導(dǎo)致程序不能按照預(yù)期結(jié)果執(zhí)行。

例如下面這段代碼：

 

package com.itquan.service.share.resources.controller; 
 
import java.time.LocalDateTime; 
 
/** 
 * @author ：mmzsblog 
 * @description：共享變量在線程間的可見性測試 
 */ 
public class VisibilityDemo { 
 
    // 狀態(tài)標識flag 
    private static boolean flag = true; 
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
        System.out.println(LocalDateTime.now() + "主線程啟動計數(shù)子線程"); 
        new CountThread().start(); 
 
        Thread.sleep(1000); 
        // 設(shè)置flag為false，使上面啟動的子線程跳出while循環(huán)，結(jié)束運行 
        VisibilityDemo.flag = false; 
        System.out.println(LocalDateTime.now() + "主線程將狀態(tài)標識flag被置為false了"); 
    } 
 
    static class CountThread extends Thread { 
        @Override 
        public void run() { 
            System.out.println(LocalDateTime.now() + "計數(shù)子線程start計數(shù)"); 
            int i = 0; 
            while (VisibilityDemo.flag) { 
                i++; 
            } 
            System.out.println(LocalDateTime.now() + "計數(shù)子線程end計數(shù)，運行結(jié)束：i的值是" + i); 
        } 
    } 
 
} 

運行結(jié)果是：

 

 

 

 

從控制臺的打印結(jié)果可以看出，因為主線程對flag的修改，對計數(shù)子線程沒有立即可見，所以導(dǎo)致了計數(shù)子線程久久不能跳出while循環(huán)，結(jié)束子線程。

對于這種情況，作為有強迫癥的阿粉我當(dāng)然不能忍，所以就引出了下一個問題：如何解決線程間不可見性

03 如何解決線程間不可見性

為了保證線程間可見性我們一般有3種選擇:

3.1、volatile:只保證可見性

volatile關(guān)鍵字能保證可見性，但也只能保證可見性，在此處就能保證flag的修改能立即被計數(shù)子線程獲取到。

此時糾正上面例子出現(xiàn)的問題，只需在定義全局變量的時候加上volatile關(guān)鍵字

// 狀態(tài)標識flag

private static volatile boolean flag = true;

3.2、Atomic相關(guān)類:保證可見性和原子性

將標識狀態(tài)flag在定義的時候使用Atomic相關(guān)類來進行定義的話，就能很好的保證flag屬性的可見性以及原子性。

此時糾正上面例子出現(xiàn)的問題，只需在定義全局變量的時候?qū)⒆兞慷x成Atomic相關(guān)類

// 狀態(tài)標識flag

private static AtomicBoolean flag = new AtomicBoolean(true);

不過值得注意的一點是，此時原子類相關(guān)的方法設(shè)置新值和得到值的放的是有點變化，如下：

 

// 設(shè)置flag的值 
    VisibilityDemo.flag.set(false); 
     
    // 獲取flag的值 
    VisibilityDemo.flag.get() 

3.3、Lock: 保證可見性和原子性

此處我們使用的是Java常見的synchronized關(guān)鍵字。

此時糾正上面例子出現(xiàn)的問題，只需在為計數(shù)操作i++添加synchronized關(guān)鍵字修飾

 

synchronized (this) { 
        i++; 
    } 

通過上面三種方式，阿粉我都得到類似如下的期望結(jié)果：

 

 

 

 

然而，接下來阿粉我要對其中的volatile和synchronized關(guān)鍵字做一番較為詳細的解釋。

04 可見性-volatile

Java內(nèi)存模型對volatile關(guān)鍵字定義了一些特殊的訪問規(guī)則，當(dāng)一個變量被volatile修飾后，它將具備兩種特性，或者說volatile具有下列兩層語義：

• 第一、保證了不同線程對這個變量進行讀取時的可見性。即一個線程修改了某個變量的值， 這個新值對其他線程來說是立即可見的。(volatile解決了線程間共享變量的可見性問題)。
• 第二、禁止進行指令重排序， 阻止編譯器對代碼的優(yōu)化。

針對第一點，volatile保證了不同線程對這個變量進行讀取時的可見性，具體表現(xiàn)為：

• 1：使用 volatile 關(guān)鍵字會強制將在某個線程中修改的共享變量的值立即寫入主內(nèi)存。
• 2：使用 volatile 關(guān)鍵字的話， 當(dāng)線程 2 進行修改時， 會導(dǎo)致線程 1 的工作內(nèi)存中變量的緩存行無效(反映到硬件層的話， 就是 CPU 的 L1或者 L2 緩存中對應(yīng)的緩存行無效);

附一張CPU緩存模型圖：

 

 

 

 

• 3：由于線程 1 的工作內(nèi)存中變量的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量的值時會去主存讀取?；谶@一點，所以我們經(jīng)常會看到文章中或者書本中會說volatile 能夠保證可見性。

綜上所述：就是用volatile修飾的變量，對這個變量的讀寫，不能使用 CPU 緩存，必須從內(nèi)存中讀取或者寫入。

使用volatile無法保障線程安全，那么volatile的作用是什么呢?

其中之一：(對狀態(tài)量進行標記，保證其它線程看到的狀態(tài)量是最新值)

 

 

 

 

volatile關(guān)鍵字是Java虛擬機提供的最輕量級的同步機制，很多人由于對它理解不夠(其實這里你想理解透的話可以看看happens-before原則)，而往往更愿意使用synchronized來做同步。所以接下來阿粉我再說說synchronized關(guān)鍵字。

05 可見性synchronized

 

 

 

5.1、作用域

synchronized關(guān)鍵字的作用域有二種：

• 1)是某個對象實例內(nèi)，synchronized aMethod(){}可以防止多個線程同時訪問這個對象的synchronized方法。

如果一個對象有多個synchronized方法，只要一個線程訪問了其中的一個synchronized方法，其它線程不能同時訪問這個對象中任何一個synchronized方法。

這時，不同的對象實例的synchronized方法是不相干擾的。也就是說，其它線程照樣可以同時訪問相同類的另一個對象實例中的synchronized方法。

因為當(dāng)修飾非靜態(tài)方法的時候，鎖定的是當(dāng)前實例對象。

• 2)是某個類的范圍，synchronized static aStaticMethod{}防止多個線程同時訪問這個類中的synchronized static 方法。它可以對類的所有對象實例起作用。

因為當(dāng)修飾靜態(tài)方法的時候，鎖定的是當(dāng)前類的 Class 對象。

5.2、可用于方法中的某個區(qū)塊中

除了方法前用synchronized關(guān)鍵字，synchronized關(guān)鍵字還可以用于方法中的某個區(qū)塊中，表示只對這個區(qū)塊的資源實行互斥訪問。

用法是:

 

synchronized(this){ 
    /*區(qū)塊*/ 
} 

它的作用域是當(dāng)前對象;

5.3、不能繼承

synchronized關(guān)鍵字是不能繼承的，也就是說，基類的方法

 

synchronized f(){ 
    // 具體操作 
} 

在繼承類中并不自動是

 

synchronized f(){ 
    // 具體操作 
} 

而是變成了

 

f(){ 
    // 具體操作 
} 

繼承類需要你顯式的指定它的某個方法為synchronized方法;

綜上3點所述：synchronized關(guān)鍵字主要有以下這3種用法：

• 修飾實例方法：作用于當(dāng)前實例加鎖，進入同步代碼前要獲得當(dāng)前實例的鎖
• 修飾靜態(tài)方法：作用于當(dāng)前類對象加鎖，進入同步代碼前要獲得當(dāng)前類對象的鎖
• 修飾代碼塊：指定加鎖對象，對給定對象加鎖，進入同步代碼塊前要獲得給定對象的鎖

這三種用法就基本保證了共享變量在讀取的時候，讀取到的是最新的值。

5.4、JVM關(guān)于synchronized的兩條規(guī)定：

• 線程解鎖前，必須把共享變量的最新值刷新到主內(nèi)存
• 線程加鎖時，將清空工作內(nèi)存中共享變量的值，從而是使用共享變量時，需要從主內(nèi)存中重新讀取最新的值(注意：加鎖與解鎖是同一把鎖)

從上面的這兩條規(guī)則也可以看出，這種方式保證了內(nèi)存中的共享變量一定是最新值。

但我們在使用synchronized保證可見性的時候也要注意以下幾點：

• A.無論synchronized關(guān)鍵字加在方法上還是對象上，它取得的鎖都是對象;而不是把一段代碼或函數(shù)當(dāng)作鎖――而且同步方法很可能還會被其他線程的對象訪問。
• B.每個對象只有一個鎖(lock)與之相關(guān)聯(lián)。Java 編譯器會在 synchronized 修飾的方法或代碼塊前后自動加上加鎖 lock() 和解鎖 unlock()，這樣做的好處就是加鎖 lock() 和解鎖 unlock() 一定是成對出現(xiàn)的，畢竟忘記解鎖 unlock() 可是個致命的 Bug(意味著其他線程只能死等下去了)。
• C.實現(xiàn)同步是要很大的系統(tǒng)開銷作為代價的，甚至可能造成死鎖，所以盡量避免無謂的同步控制。

以上內(nèi)容就是我對并法中的可見性的一點理解與總結(jié)了，下期我們接著敘述并發(fā)中的有序性。

參考文章：

1、極客時間的Java并發(fā)編程實戰(zhàn)

2、https://www.jianshu.com/p/89a8fa8ffe39

3、https://www.cnblogs.com/xiaonantianmen/p/9970368.html

4、https://www.lagou.com/lgeduarticle/78722.html

5、https://blog.csdn.net/evankaka/article/details/44153709

6、https://juejin.im/post/5d52abd1e51d4561e6237124