Java并发编程之可见性，有序性，原子性

1.原子性

问题引入

public class T01_Volatile {
    private boolean running = true;
    private void m(){
        System.out.println("m start");
        while (running){

        }
        System.out.println("m end");
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException, IOException {
        T01_Volatile t = new T01_Volatile();
        new Thread(t::m,"T01").start();
        Thread.sleep(1000);
        t.running = false;
    }
}

上面是一段小程序，逻辑很简单，开启一个子线程运行m方法，方法开始打印m start，之后是个死循环，主线程沉睡一秒后将running设置为false，死循环结束，接着打印m end，运行程序：

m start

奇怪的现象发生了，主线程将running设置为了false，只打印了m start ,m end 并没有执行，说明子线程的循环并没有结束，这是因为主线程和子线程在不同的cpu内核上运行，程序运行的时候主线程和子线程会把runing拷贝一份放在自己的缓存区，程序运行后他们都各自操作的是自己缓存区的runing，主线程对running的修改对子线程来说是不可见的。

接下来我们对变量runing通过添加volatile关键字进行修饰，如下所示：

private volatile boolean runing = true;

再次运行，log打印：

m start
m end

程序结束了，m end被打印了，通过volatile修饰的变量能保证线程之间数据的同步，主线程将runing设置为false之后，子线程是及时可见的，这就是volatile的主要作用。

有的同学可能有过这样的测试，将runing的volatile关键字设置remove掉，在while循环中打印一句话，即：

    private boolean running = true;
    private void m(){
        System.out.println("m start");
        while (running){
            System.out.println("ok");
        }
        System.out.println("m end");
    }

此时运行程序发现m end也打印了，这是为什么呢？这是因为System.out.println方法是一个同步的方法,源码如下：

 public void println(String x) {
        synchronized (this) {
            print(x);
            newLine();
        }
    }

在多线程编程模型中某些语句会触发数据同步机制，此时synchronized语法，synchronized关键字不但保证了原子性，还保证的数据的可见性。

什么是程序？什么是进程？什么是线程

wechat.exe点击运行发生了什么？

• 1.分配内存空间，拷贝相关资源到内存中，进程被创建

• 2.找到的主线程入口函数开始执行

• 3.第一条指令被传递到cpu的pc区，由他来记录（程序计数器）

• 4.第一条指令的数据传递到cpu的Registers（寄存器）

• 5.cpu的ALU开始计算 （计算单元）

• 6.cpu计算完毕将数据回传给内存

存指令，存数据，计算，cpu的速度比内存高的多，cup计算单元访问寄存器的速度是它访问内存速度的100倍

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计算机缓存架构，在cpu和内存之前存在很多缓存区

running没有更新的本质

上面我们主要了解一个程序运行之后的工作流程，下面我们主要来看看多线程情况下她到底是怎么运行的，在cpu和主内存存在三个缓冲区，如下图所示的L1,L2,L3,还是以之前我们所讲的那个实例为例，当子线程启动的时候，会把running从内存依次读到L3,L2,L1，然后ALU计算的时候，先从L1查找running，如果L1有就直接用了，没有L1没有回继续往下的L2查找，如果在L2找到了就直接用了，否则继续往L3找，L3没有找到会在主内存找，至于主内存在什么时候进行数据同步，这个时间不确定，正是由于这个原因就导致了running的值一直是ture，而主线程设置的false，只是在主线程所在的缓存中更新了，主内存中的running并没有更新。

volatile bytecodeInterpreter.cpp,volatile的最终实现是一条汇编指令 lock addL lock锁住了cpu到内存的联通线，lock指令不能单独存在

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一核一线程

volite本质是汇编指令lock和addl ,bytecode.cpp ，本质就是一把锁，锁缓存或锁总线，lock指令不能但是存在，她的本质意思是当我执行后面的这条指令的时候，锁缓存或者锁总线。

缓存行

MESI缓存一致性协议，时不时的会触发一下，来保持数据的一致性，把两个x拆开，他们位于不同的内存空间，一个缓存行，读的是一块数据

MESI协议，没有上锁是一种不及时的同步，不管加不加v，s底层永远存在，慢：同一个缓存行，数据同步有消耗，快：在不同的缓存行，不需要同步数据。

public class T02_CacheLinePadding {
    public static long COUNT = 10_0000_0000L;
    private static class T{
        private long p1,p2,p3,p4,p5,p6,p7;
        public long x = 0L;
        private long p11,p22,p33,p44,p55,p66,p77;
    }
    public static T[] arr = new  T[2];
    static {
        arr[0] = new T();
        arr[1] = new T();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);
        Thread t1 = new Thread(()->{
            for(long i = 0; i {
            for(long i = 0; i 

image

image

2.有序性

public class T03_Disorder {
    private static int x = 0, y = 0;
    private static int a = 0, b = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        for (; ; ) {
            i++;
            x = 0;
            y = 0;
            a = 0;
            b = 0;
            Thread one = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    //由于线程one先启动，下面这句话让它等一等线程two. 读着可根据自己电脑的实际性能适当调整等待时间.
                    //shortWait(100000);
                    a = 1;
                    x = b;
                }
            });

            Thread other = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    b = 1;
                    y = a;
                }
            });
            one.start();
            other.start();
            one.join();
            other.join();
            String result = "第" + i + "次 (" + x + "," + y + "）";
            if (x == 0 && y == 0) {
                System.err.println(result);
                break;
            } else {
                System.out.println(result);
            }
        }
    }
}

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乱序执行，不是两个线程之间的乱序执行，而是同一个线程中代码的乱序执行，乱序执行是为了提供程序的运行效率，烧水泡茶的例子，线程的执行结果能保证最终的一致性，此时就可能发生乱序来提升效率

不能重排：

x++
x = x + 1

可以重排：

 a = 1;
 x = b;

public class T04_NoVisbllity {
    private static boolean ready = false;
    private static int number;
    private static class ReaderThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            while (!ready){
                Thread.yield();
            }
            System.out.println(number);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new ReaderThread();
        t.start();
        number = 42;
        ready = true;
        t.join();
    }
}

可能一直处于没有准备好，ready的是不可见的，虽然ready被主线程修改，另外可能打印的结果为0，因为：

number = 42;
ready = true;

可能会出现指令重排

public class T05_ThisEscape {
    private int num = 8;

    public T05_ThisEscape() {
        new Thread(()->{
            System.out.println(this.num);
        }).start();
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        new T05_ThisEscape();
        System.in.read();
    }
}

num的打印结果可能为0，this是一个半初始化状态

public class T06_SingleInstance {
    private static T06_SingleInstance instance;
    private T06_SingleInstance() {
    }
    public static T06_SingleInstance getInstance() {
        if(instance == null){
            synchronized (T06_SingleInstance.class){
                if(instance == null){
                    instance = new T06_SingleInstance();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

instance 可能由于指令重排而导致的处于半初始化状态，加上volatile关键字即可，禁止指令重排。

3.原子性

synchronized的实现过程：

• 1.Java代码：synchronized
• 2.字节码：monitorenter moniterexit
• 3.jvm：自动升级
• 4.汇编：lock comxchg

工作原理

synchronized互斥锁的本质是原子性，把下面的整体操作当成一个原子，一个线程执行完毕，另外一个线程才能执行，把原来并发执行的程序，变成序列化执行。

在Java SE 1.5之前，多线程并发中，synchronized一直都是一个元老级关键字，而且给人的一贯印象就是一个比较重的锁。为此，在Java SE 1.6之后，这个关键字被做了很多的优化，从而让以往的“重量级锁”变得不再那么重。

synchronized主要有两种使用方法，一种是代码块，一种关键字写在方法上。这两种用法底层究竟是怎么实现的呢？在1.6之前是怎么实现的呢？

字节码实现原理 在java语言中存在两种内建的synchronized语法：1、synchronized语句；2、synchronized方法。对于synchronized语句当Java源代码被javac编译成bytecode的时候，会在同步块的入口位置和退出位置分别插入monitorenter和monitorexit字节码指令。而synchronized方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令如:invokevirtual、areturn指令，在VM字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法，而是在Class文件的方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized标志位置1，表示该方法是同步方法并使用调用该方法的对象或该方法所属的Class在JVM的内部对象表示Klass做为锁对象。

那么monitorenter和monitorexit以及access_flags底层又是通过什么底层技术来实现的原子操作呢？

Mutex Lock

简单来说在JVM中monitorenter和monitorexit字节码依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，但是由于使用Mutex Lock需要将当前线程挂起并从用户态切换到内核态来执行，这种切换的代价是非常昂贵的。

那么我们来看看mutex lock又是一个什么鬼？

我们来看看常见的linux的内核互斥锁长什么样：

/linux/include/linux/mutex.h

struct mutex {
         /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
         atomic_t                count;
         spinlock_t              wait_lock;
         struct list_head        wait_list;
  #ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
          struct thread_info      *owner;
          const char              *name;
         void                    *magic;
  #endif
  #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
          struct lockdep_map      dep_map;
 #endif
 };

mutex lock的作用及访问规则：

mutex lock互斥锁主要用于实现内核中的互斥访问功能。mutex lock内核互斥锁是在原子 API 之上实现的，但这对于内核用户是不可见的。对它的访问必须遵循一些规则：同一时间只能有一个任务持有互斥锁，而且只有这个任务可以对互斥锁进行解锁。互斥锁不能进行递归锁定或解锁。一个互斥锁对象必须通过其API初始化，而不能使用memset或复制初始化。一个任务在持有互斥锁的时候是不能结束的。互斥锁所使用的内存区域是不能被释放的。使用中的互斥锁是不能被重新初始化的。并且互斥锁不能用于中断上下文。但是互斥锁比当前的内核信号量选项更快，并且更加紧凑，因此如果它们满足您的需求，那么它们将是您明智的选择。

对象在内存中的布局

Java Object Layout

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Object obj = new Object(); 16个字节

makword 8个字节
classpointer 8个字节
成员变量：0个字节

User :int id String main
makword 8个字节
classpointer 4个字节 (压缩)
int 4
String 4
共20个字节 24

锁升级

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CAS工作原理

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CAS底层：lock cmpxchg 本质是锁定北桥芯片的一个电信号

总结

在java6之前，synchronized关键字就是那个很重的互斥锁。我们之所以说它重，是因为底层需要进行用户态到内核态的切换。于是在java6中对synchronized进行了优化。减少底层的切换，于是有了轻量级锁，只是进行基本的CAS原子操作；然而CAS还是会涉及的底层，于是又有了偏向锁，通过mark word对象头中的thread ID进行置换，如果下次还是同样的线程，那么就直接进入，而不再需要进行CAS底层原子操作。另外我们也介绍了锁消除这种机制，从而减少了一些根本不必要的同步。我们还简单的讨论了锁粗化，这是一种减少我们频繁的获取和释放锁的不错的做法