詭異的并發之可見性
我們都知道，隨著祖國越來越繁榮昌盛，隨著科技的進步，設備的更新換代，計算機體系結構、操作系統、編譯程序都在不斷地改革創新，但始終有一點是不變的：那就是下面三者的性能耗時：CPU < 內存 < I/O
但也正因為這些改變，也就在并發程序中出現了一些詭異的問題，而其中最昭著的三大問題就是：可見性、有序性、原子性。
而今天阿粉我就為大家介紹其中的惡霸之一可見性。
01 可見性的闡述
可見性 的定義是：一個線程對共享變量的修改，另外一個線程能夠立刻看到。
在單核時代，所有線程都在一個CPU上執行，所以一個線程的寫，一定是對其它線程可見的。就好比，一個總經理下面就一個項目負責人。
此時，項目經理查看到任務G后，分配給員工A和員工B，那么這個任務的進度就能隨時掌握在項目經理手中了;每個員工都能從項目經理處得知最新的項目進度。
而在多核時代后，每個CPU都有自己的緩存，這就出現了可見性問題。
此時，兩個項目經理同時查看到任務G后，各自分配給自己下屬員工，那么這個任務的進度就只能掌握在各自項目經理手中了，因為所有員工的工作進度并不是匯報給同一個項目經理;那么，每個員工只能得知自己項目組員工的工作進度，并不能得知其他項目組的工作進度。所以，當多個項目經理在做同一個任務時，就可能出現任務配比不均、任務進度拖延、任務重復進行等多種問題。
總和上面的例子來講，就是因為進度的不及時更新，導致數據不是最新，導致決策失誤。所以，我們隱約可以看出，內存并不直接與Cpu打交道，而是通過高速緩存與Cpu打交道。
cpu <——> 高速緩存 <———> 內存
通過一張圖片來表示就是(多核)：
下文我們的闡述，若無特殊說明，都是基于多核的。
02 原因分析
可見性問題都是由Cpu緩存不一致為并發編程帶來，而其中的主要有下面三種情況：
2.1、線程交叉執行
線程交叉執行多數情況是由于線程切換導致的，例如下圖中的線程A在執行過程中切換到線程B執行完成后，再切換回線程A執行剩下的操作;此時線程B對變量的修改不能對線程A立即可見，這就導致了計算結果和理想結果不一致的情況。
2.2、重排序結合線程交叉執行
例如下面這段代碼
- int a = 0; //行1
- int b = 0; //行2
- a = b + 10; //行3
- b = a + 9; //行4
如果行1和行2在編譯的時候改變順序，執行結果不會受到影響;
如果將行3和行4在變異的時候交換順序，執行結果就會受到影響，因為b的值得不到預期的19;
由圖知：由于編譯時改變了執行順序，導致結果不一致;而兩個線程的交叉執行又導致線程改變后的結果也不是預期值，簡直雪上加霜!
2.3、共享變量更新后的值沒有在工作內存及主存間及時更新
因為主線程對共享變量的修改沒有及時更新，子線程中不能立即得到最新值，導致程序不能按照預期結果執行。
例如下面這段代碼：
- package com.itquan.service.share.resources.controller;
- import java.time.LocalDateTime;
- /**
- * @author ：mmzsblog
- * @description：共享變量在線程間的可見性測試
- */
- public class VisibilityDemo {
- // 狀態標識flag
- private static boolean flag = true;
- public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
- System.out.println(LocalDateTime.now() + "主線程啟動計數子線程");
- new CountThread().start();
- Thread.sleep(1000);
- // 設置flag為false，使上面啟動的子線程跳出while循環，結束運行
- VisibilityDemo.flag = false;
- System.out.println(LocalDateTime.now() + "主線程將狀態標識flag被置為false了");
- }
- static class CountThread extends Thread {
- @Override
- public void run() {
- System.out.println(LocalDateTime.now() + "計數子線程start計數");
- int i = 0;
- while (VisibilityDemo.flag) {
- i++;
- }
- System.out.println(LocalDateTime.now() + "計數子線程end計數，運行結束：i的值是" + i);
- }
- }
- }
運行結果是：
從控制臺的打印結果可以看出，因為主線程對flag的修改，對計數子線程沒有立即可見，所以導致了計數子線程久久不能跳出while循環，結束子線程。
對于這種情況，作為有強迫癥的阿粉我當然不能忍，所以就引出了下一個問題：如何解決線程間不可見性
03 如何解決線程間不可見性
為了保證線程間可見性我們一般有3種選擇:
3.1、volatile:只保證可見性
volatile關鍵字能保證可見性，但也只能保證可見性，在此處就能保證flag的修改能立即被計數子線程獲取到。
此時糾正上面例子出現的問題，只需在定義全局變量的時候加上volatile關鍵字
// 狀態標識flag
private static volatile boolean flag = true;
3.2、Atomic相關類:保證可見性和原子性
將標識狀態flag在定義的時候使用Atomic相關類來進行定義的話，就能很好的保證flag屬性的可見性以及原子性。
此時糾正上面例子出現的問題，只需在定義全局變量的時候將變量定義成Atomic相關類
// 狀態標識flag
private static AtomicBoolean flag = new AtomicBoolean(true);
不過值得注意的一點是，此時原子類相關的方法設置新值和得到值的放的是有點變化，如下：
- // 設置flag的值
- VisibilityDemo.flag.set(false);
- // 獲取flag的值
- VisibilityDemo.flag.get()
3.3、Lock: 保證可見性和原子性
此處我們使用的是Java常見的synchronized關鍵字。
此時糾正上面例子出現的問題，只需在為計數操作i++添加synchronized關鍵字修飾
- synchronized (this) {
- i++;
- }
通過上面三種方式，阿粉我都得到類似如下的期望結果：
然而，接下來阿粉我要對其中的volatile和synchronized關鍵字做一番較為詳細的解釋。
04 可見性-volatile
Java內存模型對volatile關鍵字定義了一些特殊的訪問規則，當一個變量被volatile修飾后，它將具備兩種特性，或者說volatile具有下列兩層語義：
- 第一、保證了不同線程對這個變量進行讀取時的可見性。即一個線程修改了某個變量的值， 這個新值對其他線程來說是立即可見的。(volatile解決了線程間共享變量的可見性問題)。
- 第二、禁止進行指令重排序， 阻止編譯器對代碼的優化。
針對第一點，volatile保證了不同線程對這個變量進行讀取時的可見性，具體表現為：
- 1：使用 volatile 關鍵字會強制將在某個線程中修改的共享變量的值立即寫入主內存。
- 2：使用 volatile 關鍵字的話， 當線程 2 進行修改時， 會導致線程 1 的工作內存中變量的緩存行無效(反映到硬件層的話， 就是 CPU 的 L1或者 L2 緩存中對應的緩存行無效);
附一張CPU緩存模型圖：
- 3：由于線程 1 的工作內存中變量的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量的值時會去主存讀取。基于這一點，所以我們經常會看到文章中或者書本中會說volatile 能夠保證可見性。
綜上所述：就是用volatile修飾的變量，對這個變量的讀寫，不能使用 CPU 緩存，必須從內存中讀取或者寫入。
使用volatile無法保障線程安全，那么volatile的作用是什么呢?
其中之一：(對狀態量進行標記，保證其它線程看到的狀態量是最新值)
volatile關鍵字是Java虛擬機提供的最輕量級的同步機制，很多人由于對它理解不夠(其實這里你想理解透的話可以看看happens-before原則)，而往往更愿意使用synchronized來做同步。所以接下來阿粉我再說說synchronized關鍵字。
05 可見性synchronized
5.1、作用域
synchronized關鍵字的作用域有二種：
- 1)是某個對象實例內，synchronized aMethod(){}可以防止多個線程同時訪問這個對象的synchronized方法。
如果一個對象有多個synchronized方法，只要一個線程訪問了其中的一個synchronized方法，其它線程不能同時訪問這個對象中任何一個synchronized方法。
這時，不同的對象實例的synchronized方法是不相干擾的。也就是說，其它線程照樣可以同時訪問相同類的另一個對象實例中的synchronized方法。
因為當修飾非靜態方法的時候，鎖定的是當前實例對象。
- 2)是某個類的范圍，synchronized static aStaticMethod{}防止多個線程同時訪問這個類中的synchronized static 方法。它可以對類的所有對象實例起作用。
因為當修飾靜態方法的時候，鎖定的是當前類的 Class 對象。
5.2、可用于方法中的某個區塊中
除了方法前用synchronized關鍵字，synchronized關鍵字還可以用于方法中的某個區塊中，表示只對這個區塊的資源實行互斥訪問。
用法是:
- synchronized(this){
- /*區塊*/
- }
它的作用域是當前對象;
5.3、不能繼承
synchronized關鍵字是不能繼承的，也就是說，基類的方法
- synchronized f(){
- // 具體操作
- }
在繼承類中并不自動是
- synchronized f(){
- // 具體操作
- }
而是變成了
- f(){
- // 具體操作
- }
繼承類需要你顯式的指定它的某個方法為synchronized方法;
綜上3點所述：synchronized關鍵字主要有以下這3種用法：
- 修飾實例方法：作用于當前實例加鎖，進入同步代碼前要獲得當前實例的鎖
- 修飾靜態方法：作用于當前類對象加鎖，進入同步代碼前要獲得當前類對象的鎖
- 修飾代碼塊：指定加鎖對象，對給定對象加鎖，進入同步代碼塊前要獲得給定對象的鎖
這三種用法就基本保證了共享變量在讀取的時候，讀取到的是最新的值。
5.4、JVM關于synchronized的兩條規定：
- 線程解鎖前，必須把共享變量的最新值刷新到主內存
- 線程加鎖時，將清空工作內存中共享變量的值，從而是使用共享變量時，需要從主內存中重新讀取最新的值(注意：加鎖與解鎖是同一把鎖)
從上面的這兩條規則也可以看出，這種方式保證了內存中的共享變量一定是最新值。
但我們在使用synchronized保證可見性的時候也要注意以下幾點：
- A.無論synchronized關鍵字加在方法上還是對象上，它取得的鎖都是對象;而不是把一段代碼或函數當作鎖――而且同步方法很可能還會被其他線程的對象訪問。
- B.每個對象只有一個鎖(lock)與之相關聯。Java 編譯器會在 synchronized 修飾的方法或代碼塊前后自動加上加鎖 lock() 和解鎖 unlock()，這樣做的好處就是加鎖 lock() 和解鎖 unlock() 一定是成對出現的，畢竟忘記解鎖 unlock() 可是個致命的 Bug(意味著其他線程只能死等下去了)。
- C.實現同步是要很大的系統開銷作為代價的，甚至可能造成死鎖，所以盡量避免無謂的同步控制。
以上內容就是我對并法中的可見性的一點理解與總結了，下期我們接著敘述并發中的有序性。
參考文章：
1、極客時間的Java并發編程實戰
2、https://www.jianshu.com/p/89a8fa8ffe39
3、https://www.cnblogs.com/xiaonantianmen/p/9970368.html
4、https://www.lagou.com/lgeduarticle/78722.html
5、https://blog.csdn.net/evankaka/article/details/44153709
6、https://juejin.im/post/5d52abd1e51d4561e6237124
