Java并發(fā)那些事
主要講解Java的并發(fā)編程的基礎(chǔ)知識(shí)，包括原子性、可見(jiàn)性、有序性，以及內(nèi)存模型JMM。
Java系列說(shuō)明
從這篇文章開(kāi)始，我就要正式開(kāi)始學(xué)習(xí)Java了，之所以說(shuō)是從現(xiàn)在開(kāi)始，是因?yàn)榍皟蓚€(gè)月一直在糾結(jié)是否轉(zhuǎn)技術(shù)棧（細(xì)心的同學(xué)可以發(fā)現(xiàn)，我之前寫(xiě)的文章，其實(shí)和Java并沒(méi)有什么關(guān)系），現(xiàn)在已經(jīng)想清楚了，既然確定要轉(zhuǎn)Java技術(shù)棧，那就踏踏實(shí)實(shí)從頭開(kāi)始學(xué)吧。
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目前的我，可以說(shuō)是Java小白，剛轉(zhuǎn)團(tuán)隊(duì)不久，也就接觸了2個(gè)月的Java，代碼沒(méi)寫(xiě)幾行，既然發(fā)現(xiàn)自己Java很菜，那就要列個(gè)學(xué)習(xí)計(jì)劃，將這塊知識(shí)好好補(bǔ)補(bǔ)。目前給自己定了一年的學(xué)習(xí)計(jì)劃，希望能通過(guò)一年的學(xué)習(xí)，將Java的技能從初階直接晉級(jí)到高階水平，可能有同學(xué)會(huì)問(wèn)“我學(xué)習(xí)Java都幾年的，都還是中級(jí)水平，你花一年就可以晉級(jí)到高階？”，我只想說(shuō)，我想試試，畢竟工作這么長(zhǎng)時(shí)間，也掌握了一定的學(xué)習(xí)方法，相信跟著自己的學(xué)習(xí)節(jié)奏走，應(yīng)該不會(huì)離目標(biāo)太遠(yuǎn)，今天立個(gè)Flag，希望一年后不會(huì)啪啪打臉【捂臉】~~
Java系列的內(nèi)容主要包括并發(fā)編程、Spring、SpringBoost、SpringCloud、Tomcat、MyBatis、Dubbo和虛擬機(jī)，然后一些經(jīng)典書(shū)籍的讀書(shū)筆記等，當(dāng)這些都掌握到一定深度后，我想我的Java技能應(yīng)該也就差不多了。
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最后想說(shuō)的是，Java很多系列文章，很大一部分是內(nèi)容整理，之所以要通過(guò)文章的形式再寫(xiě)一遍，是因?yàn)榭催^(guò)的內(nèi)容，如果自己不整理一遍，或者不讓程序跑跑，很容易遺忘，所以寫(xiě)文章其實(shí)不是目的，主要是重新整理和回顧學(xué)習(xí)內(nèi)容的過(guò)程，一方面印象深刻，另一方面，也便于自己后續(xù)查閱。
今天廢話有點(diǎn)多，我們就從并發(fā)編程開(kāi)始吧！
并發(fā)編程基本概念
原子性
一個(gè)操作或者多個(gè)操作，要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。
原子性是拒絕多線程操作的，不論是多核還是單核，具有原子性的量，同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程來(lái)對(duì)它進(jìn)行操作。簡(jiǎn)而言之，在整個(gè)操作過(guò)程中不會(huì)被線程調(diào)度器中斷的操作，都可認(rèn)為是原子性。例如 a=1是原子性操作，但是a++和a +=1就不是原子性操作。Java中的原子性操作包括：
基本類型的讀取和賦值操作，且賦值必須是值賦給變量，變量之間的相互賦值不是原子性操作；
所有引用reference的賦值操作；
java.concurrent.Atomic.* 包中所有類的一切操作。
可見(jiàn)性
指當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。
在多線程環(huán)境下，一個(gè)線程對(duì)共享變量的操作對(duì)其他線程是不可見(jiàn)的。Java提供了volatile來(lái)保證可見(jiàn)性，當(dāng)一個(gè)變量被volatile修飾后，表示著線程本地內(nèi)存無(wú)效，當(dāng)一個(gè)線程修改共享變量后他會(huì)立即被更新到主內(nèi)存中，其他線程讀取共享變量時(shí)，會(huì)直接從主內(nèi)存中讀取。當(dāng)然，synchronize和Lock都可以保證可見(jiàn)性。synchronized和Lock能保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼，并且在釋放鎖之前會(huì)將對(duì)變量的修改刷新到主存當(dāng)中。因此可以保證可見(jiàn)性。
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有序性
即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。
Java內(nèi)存模型中的有序性可以總結(jié)為：如果在本線程內(nèi)觀察，所有操作都是有序的；如果在一個(gè)線程中觀察另一個(gè)線程，所有操作都是無(wú)序的。前半句是指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行語(yǔ)義”，后半句是指“指令重排序”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存主主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。
在Java內(nèi)存模型中，為了效率是允許編譯器和處理器對(duì)指令進(jìn)行重排序，當(dāng)然重排序不會(huì)影響單線程的運(yùn)行結(jié)果，但是對(duì)多線程會(huì)有影響。Java提供volatile來(lái)保證一定的有序性。最著名的例子就是單例模式里面的DCL（雙重檢查鎖）。另外，可以通過(guò)synchronized和Lock來(lái)保證有序性，synchronized和Lock保證每個(gè)時(shí)刻是有一個(gè)線程執(zhí)行同步代碼，相當(dāng)于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼，自然就保證了有序性。
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為了讓大家更好理解可見(jiàn)性和有序性，這個(gè)就不得不了解“內(nèi)存模型”、“重排序”和“內(nèi)存屏障”，因?yàn)檫@三個(gè)概念和他們關(guān)系非常密切。
內(nèi)存模型
JMM決定一個(gè)線程對(duì)共享變量的寫(xiě)入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見(jiàn)，JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存(Main Memory)中，每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存（Local Memory），本地內(nèi)存保存了被該線程使用到的主內(nèi)存的副本拷貝，線程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量。
對(duì)于普通的共享變量來(lái)講，線程A將其修改為某個(gè)值發(fā)生在線程A的本地內(nèi)存中，此時(shí)還未同步到主內(nèi)存中去；而線程B已經(jīng)緩存了該變量的舊值，所以就導(dǎo)致了共享變量值的不一致。解決這種共享變量在多線程模型中的不可見(jiàn)性問(wèn)題，可以使用volatile、synchronized、final等，此時(shí)A、B的通信過(guò)程如下：
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首先，線程A把本地內(nèi)存A中更新過(guò)的共享變量刷新到主內(nèi)存中去；
然后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A之前已更新過(guò)的共享變量。
JMM通過(guò)控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互，來(lái)為java程序員提供內(nèi)存可見(jiàn)性保證，需要注意的是，JMM是個(gè)抽象的內(nèi)存模型，所以所謂的本地內(nèi)存，主內(nèi)存都是抽象概念，并不一定就真實(shí)的對(duì)應(yīng)cpu緩存和物理內(nèi)存。
總結(jié)一句話，內(nèi)存模型JMM控制多線程對(duì)共享變量的可見(jiàn)性！?。?/p>
重排序
重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對(duì)指令序列進(jìn)行排序的一種手段。
重排序需要遵守一定規(guī)則：
重排序操作不會(huì)對(duì)存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作進(jìn)行重排序。比如：a=1;b=a; 這個(gè)指令序列，由于第二個(gè)操作依賴于第一個(gè)操作，所以在編譯時(shí)和處理器運(yùn)行時(shí)這兩個(gè)操作不會(huì)被重排序。
重排序是為了優(yōu)化性能，但是不管怎么重排序，單線程下程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。 比如：a=1;b=2;c=a+b這三個(gè)操作，第一步（a=1)和第二步(b=2)由于不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系， 所以可能會(huì)發(fā)生重排序，但是c=a+b這個(gè)操作是不會(huì)被重排序的，因?yàn)樾枰ＷC最終的結(jié)果一定是c=a+b=3。
重排序在單線程下一定能保證結(jié)果的正確性，但是在多線程環(huán)境下，可能發(fā)生重排序，影響結(jié)果，請(qǐng)看下面的示例代碼：
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flag變量是個(gè)標(biāo)記，用來(lái)標(biāo)識(shí)變量a是否已被寫(xiě)入。這里假設(shè)有兩個(gè)線程A和B，A首先執(zhí)行writer()方法，隨后B線程接著執(zhí)行reader()方法。線程B在執(zhí)行操作4時(shí)，輸出是多少呢？
答案是：可能是0，也可能是1。
由于操作1和操作2沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可以對(duì)這兩個(gè)操作重排序；同樣，操作3和操作4沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器也可以對(duì)這兩個(gè)操作重排序。讓我們先來(lái)看看，當(dāng)操作1和操作2重排序時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生什么效果？請(qǐng)看下面的程序執(zhí)行時(shí)序圖：
如上圖所示，操作1和操作2做了重排序。程序執(zhí)行時(shí)，線程A首先寫(xiě)標(biāo)記變量flag，隨后線程B讀這個(gè)變量。由于條件判斷為真，線程B將讀取變量a。此時(shí)，變量a還根本沒(méi)有被線程A寫(xiě)入，在這里多線程程序的語(yǔ)義被重排序破壞了！最后輸出i的結(jié)果是0。
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溫馨提示：這里其實(shí)理解起來(lái)有點(diǎn)繞，比如線程A先執(zhí)行了writer()，然后線程B執(zhí)行reader()，對(duì)于線程A，怎么會(huì)有這個(gè)重排序呢？其實(shí)這個(gè)重排序，是對(duì)線程B而言的，不是線程A哈！
有了線程B這第一視角，我們?cè)倮斫庖幌?，雖然線程A將writer()執(zhí)行了，執(zhí)行順序是a=1，flag=true，但是對(duì)于線程B來(lái)說(shuō)，因?yàn)橹嘏判?，線程B是根據(jù)重排序后的結(jié)果去執(zhí)行的，所以才會(huì)出現(xiàn)上述異常情況，這么給大家解釋，是不是就清晰很多呢？
下面再讓我們看看，當(dāng)操作3和操作4重排序時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么效果（借助這個(gè)重排序，可以順便說(shuō)明控制依賴性）。下面是操作3和操作4重排序后，程序的執(zhí)行時(shí)序圖：
在程序中，操作3和操作4存在控制依賴關(guān)系。當(dāng)代碼中存在控制依賴性時(shí)，會(huì)影響指令序列執(zhí)行的并行度。為此，編譯器和處理器會(huì)采用猜測(cè)（Speculation）執(zhí)行來(lái)克服控制相關(guān)性對(duì)并行度的影響。以處理器的猜測(cè)執(zhí)行為例，執(zhí)行線程B的處理器可以提前讀取并計(jì)算a*a，此時(shí)結(jié)果為0，然后把計(jì)算結(jié)果臨時(shí)保存到一個(gè)名為重排序緩沖（reorder buffer ROB）的硬件緩存中。當(dāng)接下來(lái)操作3的條件判斷為真時(shí)，就把該計(jì)算結(jié)果寫(xiě)入變量i中。
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從圖中我們可以看出，猜測(cè)執(zhí)行實(shí)質(zhì)上對(duì)操作3和4做了重排序。重排序在這里破壞了多線程程序的語(yǔ)義！因?yàn)閠emp的值為0，所以最后輸出i的結(jié)果是0。
那如何避免重排序?qū)Χ嗑€程的影響呢，答案是“內(nèi)存屏障”！
內(nèi)存屏障
為了保證內(nèi)存可見(jiàn)性，可以通過(guò)volatile、final等修飾變量，java編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會(huì)插入內(nèi)存屏障指令來(lái)禁止特定類型的處理器重排序。內(nèi)存屏障主要有3個(gè)功能：
它確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成；
它會(huì)強(qiáng)制將對(duì)緩存的修改操作立即寫(xiě)入主存；
如果是寫(xiě)操作，它會(huì)導(dǎo)致其他CPU中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效。
假如我對(duì)上述示例的falg變量通過(guò)volatile修飾：
這個(gè)時(shí)候，volatile禁止指令重排序也有一些規(guī)則，因?yàn)槠?，改?guī)則將會(huì)在下一章講解，根據(jù)happens before規(guī)則，這個(gè)過(guò)程建立的happens before 關(guān)系可以分為兩類：
根據(jù)程序次序規(guī)則，1 happens before 2; 3 happens before 4。
根據(jù)volatile規(guī)則，2 happens before 3。
根據(jù)happens before 的傳遞性規(guī)則，1 happens before 4。
happens before規(guī)則，其實(shí)就是重排序規(guī)則建立的代碼前后依賴關(guān)系。
溫馨提示：這里大家可能會(huì)有疑問(wèn)，1、3的規(guī)則我理解，但是對(duì)于2，為什么“2 happens before 3”，還記得前面講的“內(nèi)存模型”么？因?yàn)槟銓?duì)變量flag指定了volatile，所以當(dāng)線程A執(zhí)行完后，變量flag=true會(huì)直接刷到內(nèi)存中，然后B馬上可見(jiàn)，所以說(shuō)2一定是在3前面，不可能因?yàn)橹嘏判颍瑢?dǎo)致3在2前面執(zhí)行。（然后還要提示一下，這里執(zhí)行時(shí)有個(gè)前提條件，就是線程A執(zhí)行完，才能執(zhí)行線程B里面的邏輯，因?yàn)榫€程A不執(zhí)行完，flag一直是false，線程B根本就進(jìn)不到主流程，所以你也可以直接理解為線程A執(zhí)行完后，再執(zhí)行線程B，才有這么個(gè)先后關(guān)系。）
上述happens before關(guān)系的圖形化表現(xiàn)形式如下：
在上圖中，每一個(gè)箭頭鏈接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，代表了一個(gè)happens before 關(guān)系。黑色箭頭表示程序順序規(guī)則；橙色箭頭表示volatile規(guī)則；藍(lán)色箭頭表示組合這些規(guī)則后提供的happens before保證。
這里A線程寫(xiě)一個(gè)volatile變量后，B線程讀同一個(gè)volatile變量。A線程在寫(xiě)volatile變量之前所有可見(jiàn)的共享變量，在B線程讀同一個(gè)volatile變量后，將立即變得對(duì)B線程可見(jiàn)。
總結(jié)
今天講解了Java并發(fā)編程的3個(gè)特性，然后基于里面的兩個(gè)特性“可見(jiàn)性”和“有序性”引出幾個(gè)重要的概念，分別為“內(nèi)存模型JMM”、“重排序”和“內(nèi)存屏障”，這個(gè)對(duì)后續(xù)理解volatile、synchronized、final，以及避免使用的各種坑，真的是非常非常重要?。。∷赃@塊知識(shí)要必須！一定！！要?。?！掌握。
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作者：樓仔
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