Java 原子操作与并发

由一个简单的例子引出并发处理时容易被忽视的陷阱，用来作为面试问题应该很适合。
某日，工作了 4 年多的 Java 程序员小 K 跳槽，面试时碰到这样一个题目....

public class P1 {
 
    private long b = 0;
 
    public void set1() {
        b = 0;
    }
 
    public void set2() {
        b = -1;
    }
 
    public void check() {
        System.out.println(b);
 
        if (0 != b && -1 != b) {
            System.err.println("Error");
        }
    }
}

问题
调用 set1()、set2()、check()，会打印出 Error 么？

小K 的推理

“无论如何调用 set1()、set2() -> b 的值只可能是 0 或 -1 -> 在 check() 里面的判断条件（b 既不为 0 也不为 -1）永远不成立 -> 不打印 Error”

小 K 觉得有坑：这题目应该不会这么简单，再考虑一下多线程环境。

思前想后，小 K 得出结论：“在多线程环境下也不会打印 Error。这题目很简单，就是考察一下推理吧。”，K 暗自窃喜。

后来小 K 陆续又被问了几个多线程和 JVM 的问题。

后来，就没有后来了....

后来

后来还是有的。到家后，不甘心的小 K 验证了这道秒杀他的面试题。

public static void main(final String[] args) {
    final P1 v = new P1();
 
    // 线程 1：设置 b = 0
    final Thread t1 = new Thread() {
        public void run() {
            while (true) {
                v.set1();
            }
        };
    };
    t1.start();
 
    // 线程 2：设置 b = -1
    final Thread t2 = new Thread() {
        public void run() {
            while (true) {
                v.set2();
            }
        };
    };
    t2.start();
 
    // 线程 3：检查 0 != b && -1 != b
    final Thread t3 = new Thread() {
        public void run() {
            while (true) {
                v.check();
            }
        };
    };
    t3.start();
}

使用 3 个线程分别重复执行 set1()、set2()、check()。执行输出结果部分如下：

....
0
0
1
1
1
Error
Error
-4294967296
0
0
4294967295
....

执行环境：

*Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.6.0_31-b05)

Java HotSpot(TM) Client VM (build 20.6-b01, mixed mode, sharing), 32bit*

“确实打印了 Error，并且打印了 4294967295、-4294967296。我勒个去，只是啥情况？”
小 K 决定搞懂其中奥秘，重新审视了题目。以一个专业程序员的严谨，并经过无数次 Google 后....他似乎发现了问题所在。
“这确实是一个并发问题！”

分析

这道题目有两个陷阱，分别考察了对并发执行的理解，以及对 JVM 基础（赋值操作）的掌握。

陷阱一：并发执行

并发执行就是多个操作一起执行，CPU 执行不同上下文（可理解为不同线程）发过来的指令。操作系统上层看上去就像是并行处理一样。

也就是说，在编程语言层面，一个简单的操作同样需要考虑并发问题。

小 K 首先是栽在了 check() 中的 if 判断上和设值是存在并发的，不能保证 0 != b 这个判断真（此时 b 为 -1）后恰好 b 被赋值为 0 时判断 1 != b。

除此外，无论 JVM、操作系统、CPU 层面对指令如何优化、重排，最终都是逐一执行单一指令，唯一不同的就是不同层面可能会对执行加以限制，

比如加入原子操作，最终保证 CPU 能够完整执行一组指令。

陷阱二：JVM 赋值操作

一些赋值操作不是原子性的。“纳尼？”
Java 基础类型中，long 和 double 是 64 位长的。32 位架构 CPU 的算术逻辑单元（ALU）宽度是 32 位的，在处理大于 32 位操作时需要处理两次。
“这不是<计算机组成原理与汇编>么”，小 K 顿时感到大学白上了，不懂学以致用 T_T~
题目执行打印 4294967295、-4294967296 就是因为读时高 32 位或低 32 位被其他写覆盖了（看一下这两个数字的二进制就知道了）。
Java 已经是封装底层细节很好的语言了，但依然需要注意这些陷阱，可以使用并发处理包 java.util.concurrent.atomic 中包含了一系列无锁原子操作类型，
也可以使用 volatile 关键字保证线程间变量的可见性。
其实这道题目只要解决了并发问题，也就保证了每个执行单元（set1()、set2()、check()）中赋值、比较的正确性。可以把同步方法执行看作序列化的事务，各中操作不会相互影响。

再后来

虽然小 K 面试挂了，不过他挂得心服口服。
通过这个期间的不断翻阅文档以及实验，小 K 下次的面试应该不会被类似的题目秒杀了吧....
“按照这个简单面试题的标准，以前写过的程序简直就是通篇 bugs 啊！有木有，有木有啊！！！！”
骚年，继续充电吧！

内外兼修才是好程序员 :-)