Java并发编程实战 01并发编程的Bug源头

Java并发编程系列:01并发编程的Bug源头

摘要

编写正确的并发程序对我来说是一件极其困难的事情,由于知识不足,只知道synchronized这个修饰符进行同步。

本文为学习极客时间:Java并发编程实战 01的总结,文章取图也是来自于该文章

并发Bug源头

在计算机系统中,程序的执行速度为:CPU > 内存 > I/O设备 ,为了平衡这三者的速度差异,计算机体系机构、操作系统、编译程序都进行了优化:

1.CPU增加了缓存,以均衡和内存的速度差异
2.操作系统增加了进程、线程,已分时复用CPU,以均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异
3.编译程序优化指令执行顺序,使得缓存能够更加合理的利用。

但是这三者导致的问题为:可见性、原子性、有序性

源头之一:CPU缓存导致的可见性问题

一个线程对共享变量的修改,另外一个线程能够立即看到,那么就称为可见性。
现在多核CPU时代中,每颗CPU都有自己的缓存,CPU之间并不会共享缓存;

如线程A从内存读取变量V到CPU-1,操作完成后保存在CPU-1缓存中,还未写到内存中。
此时线程B从内存读取变量V到CPU-2中,而CPU-1缓存中的变量V对线程B是不可见的
当线程A把更新后的变量V写到内存中时,线程B才可以从内存中读取到最新变量V的值

上述过程就是线程A修改变量V后,对线程B不可见,那么就称为可见性问题。

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源头之二:线程切换带来的原子性问题

现代的操作系统都是基于线程来调度的,现在提到的“任务切换”都是指“线程切换”
Java并发程序都是基于多线程的,自然也会涉及到任务切换,在高级语言中,一条语句可能就需要多条CPU指令完成,例如在代码 count += 1 中,至少需要三条CPU指令。

指令1:把变量 count 从内存加载到CPU的寄存器中
指令2:在寄存器中把变量 count + 1
指令3:把变量 count 写入到内存(缓存机制导致可能写入的是CPU缓存而不是内存)

操作系统做任务切换,可以发生在任何一条CPU指令执行完,所以并不是高级语言中的一条语句,不要被 count += 1 这个操作蒙蔽了双眼。假设count = 0,线程A执行完 指令1 后 ,做任务切换到线程B执行了 指令1、指令2、指令3后,再做任务切换回线程A。我们会发现虽然两个线程都执行了 count += 1 操作。但是得到的结果并不是2,而是1。

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如果 count += 1 是一个不可分割的整体,线程的切换可以发生在 count += 1 之前或之后,但是不会发生在中间,就像个原子一样。我们把一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性称为原子性

源头之三:编译优化带来的有序性问题

有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行。编译器为了优化性能,可能会改变程序中的语句执行先后顺序。如:a = 1; b = 2;,编译器可能会优化成:b = 2; a = 1。在这个例子中,编译器优化了程序的执行先后顺序,并不影响结果。但是有时候优化后会导致意想不到的Bug。
在单例模式的双重检查创建单例对象中。如下代码:

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

问题出现在了new Singletion()这行代码,我们以为的执行顺序应该是这样的:

指令1:分配一块内存M
指令2:在内存M中实例化Singleton对象
指令3:instance变量指向内存地址M

但是实际优化后的执行路径确实这样的:

指令1:分配一块内存M
指令2:instance变量指向内存地址M
指令3:在内存M中实例化Singleton对象

这样的话看出来什么问题了吗?当线程A执行完了指令2后,切换到了线程B,
线程B判断到 if (instance != null)。直接返回instance,但是此时的instance还是没有被实例化的啊!所以这时候我们使用instance可能就会触发空指针异常了。如图:

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总结

在写并发程序的时候,需要时刻注意可见性、原子性、有序性的问题。在深刻理解这三个问题后,写起并发程序也会少一点Bug啦~。记住了下面这段话:CPU缓存会带来可见性问题、线程切换带来的原子性问题、编译优化带来的有序性问题。

参考文章:极客时间:Java并发编程实战 01 | 可见性、原子性和有序性问题:并发编程Bug的源头

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http://example.com/2020/04/14/java/Java%E5%B9%B6%E5%8F%91-1/

作者

Johnson木木

发布于

2020-04-14

更新于

2020-09-10

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