Java并發(fā)編程實戰(zhàn)學習筆記Day7-創(chuàng)新互聯(lián)

并發(fā)編程是比較進階的知識，涉及到很多底層的東西，學習起來是比較困難的。并發(fā)編程的bug更多的是偶發(fā)性的，很難復現(xiàn)，排查起來也很困難，要想快速解決問題，就要理解并發(fā)編程的本質(zhì)，追本溯源，深入分析bug的源頭。

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從這篇文章開始，我將記錄我學習Java并發(fā)編程的所有筆記，這是第一篇，希望可以幫助到更多需要的朋友。

我們都知道CPU、內(nèi)存、I/O設備三者的速度差異，程序在運行過程中，大部分都要訪問內(nèi)存，有些也要訪問I/O，程序的整體性能取決于最慢的I/O設備，為了合理利用CPU的高性能，平衡三者的速度差異，計算機體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯程序都有貢獻

  • CPU增加了緩存，以平衡和內(nèi)存的速度差異；
  • 操作系統(tǒng)增加了進程、線程，來分時復用CPU，進而均衡CPU與I/O設備的速度差異；
  • 編譯程序優(yōu)化指令執(zhí)行次序，使得緩存能夠得到更加合理利用
源頭之一：緩存導致的可見性問題

單核時代，所有的線程都是在一顆CPU上執(zhí)行，CPU緩存和內(nèi)存的數(shù)據(jù)一致性很容易保證，因為所有的線程操作的都是同一個CPU緩存，一個線程對緩存的操在對其他線程來說是一定可見的。

多核時代，每顆CPU都有自己的緩存，這是CPU緩存與內(nèi)存的數(shù)據(jù)一致性就不容易解決了，當多個線程在不同的CPU上執(zhí)行時，這些線程操作的是不同的CPU緩存。

源頭二：線程切換帶來的原子性問題

Java并發(fā)編程都是基于多線程的，自然也會涉及到任務切換。任務切換的時機大多數(shù)都是在時間片結(jié)束的時候，我們現(xiàn)在基本都使用高級語言編程，高級語言里一條語句往往需要多條CPU指令完成，例如代碼：count += 1，至少三條CPU指令。

  • 1.首先，需要把變量count從內(nèi)存加載到CPU寄存器
  • 2.之后，在寄存器中執(zhí)行+1操作
  • 3.將結(jié)構(gòu)寫入內(nèi)存。

操作系統(tǒng)做任務切換，可以發(fā)生在任何一條CPU指令執(zhí)行完，對于上面的三條指令來說，我們假設count=0，如果線程A在指令1執(zhí)行完成后線程切換，線程B開始執(zhí)行，線程B把三條指令都執(zhí)行完成，再切換回線程A繼續(xù)執(zhí)行，此時線程A執(zhí)行指令2，3，最終得到的結(jié)果還是1，而不是我們期望的2

image

造成這個問題的原因是因為我們以為count+=1這個操作是一個整體，其實再多線程執(zhí)行的時候，線程的切換會發(fā)生在count+=1之前也可能是之后，就不會發(fā)生在中間。我們把一個或多個操作在CPU執(zhí)行的過程中不被中斷的特性稱為原子性。

源頭三：編譯優(yōu)化帶來的有序性問題

編譯器在百衲衣程序的時候，為了優(yōu)化性能，會改變語句中的先后順序，絕大部分情況下都是沒有問題的，不會影響程序的最終結(jié)果，不過有時候編譯器及解釋器優(yōu)化導致的bug也是改到頭皮發(fā)麻。

以Java中的雙重檢查創(chuàng)建單例對象代碼為例：

public class Singleton {
  static Singleton instance;
  static Singleton getInstance(){
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) {
        if (instance == null)
          instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
  }
}

在獲取實例 getInstance() 的方法中，我們首先判斷 instance 是否為空，如果為空，則鎖定 Singleton.class 并再次檢查 instance 是否為空，如果還為空則創(chuàng)建 Singleton 的一個實例。

假設同時兩個線程A、B同時調(diào)用getInstance()方法，此時instance==null，于是對Singleton.class加鎖，此時，JVM保證只有一個線程能夠加鎖成功，另外一個線程則會等待（假設是線程 B）；線程 A 會創(chuàng)建一個 Singleton 實例，之后釋放鎖，鎖釋放后，線程 B 被喚醒，線程 B 再次嘗試加鎖，此時是可以加鎖成功的，加鎖成功后，線程 B 檢查 instance == null 時會發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)創(chuàng)建過 Singleton 實例了，所以線程 B 不會再創(chuàng)建一個 Singleton 實例。

看上去問題不大，實際上還是存在問題的，問題就出在new操作不是原子的，我們以為的new操作：

  1. 分配一塊內(nèi)存M
  2. 在內(nèi)存M上初始化Singleton對象
  3. 將M的地址復制給instance變量

實際經(jīng)過編譯器優(yōu)化之后的執(zhí)行路徑可能是：1-3-2

優(yōu)化之后，假設線程A執(zhí)行到第2步的是，發(fā)生了線程切換，切換到線程B，線程B也執(zhí)行getInstance()方法，那么線程B執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)instance != null，直接返回使用，此時instance還未進行初始化，此時就可能發(fā)生空指針異常。

學好并發(fā)編程，就要深刻理解可見性、原子性、有序性在并發(fā)場景下的原理，在面對很多問題的時候就會迎刃而解。

學習來源：極客時間

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文章標題：Java并發(fā)編程實戰(zhàn)學習筆記Day7-創(chuàng)新互聯(lián)
網(wǎng)頁URL：http://www.muchs.cn/article38/cdedsp.html

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