?問題

Java并發情況下總是會遇到各種意向不到的問題，比如下面的代碼：

int num = 0;

boolean ready = false;
// 線程1 執行此方法
public void actor1(I_Result r) {
 if(ready) {
  r.r1 = num + num;
 } else {
  r.r1 = 1;
 }
}
// 線程2 執行此方法
public void actor2(I_Result r) { 
 num = 2;
 ready = true; 
}

• 線程1中如果發現ready=true?,那么r1的值等于num + num?，否則等于1，然后將結果保存到I_Result對象中
• 線程2中先修改num=2?,然后設置ready=true

那大家覺得I_Result?中的r1值可能是多少呢？

• r1值等于4， 這個大家都能想到, CPU先執行了線程2，然后執行線程1
• r1值等于1，這個也容易理解，CPU先執行了線程1，然后執行線程2
• 那我如果說r1值有可能等于0，大家可能覺得離譜，不信的話，我們驗證下。

壓測驗證結果

由于并發問題出現的概率比較低，我們可以使用openjdk?提供的jcstress框架進行壓測，就能夠出現各種可能的情況。

jcstress：全名The Java Concurrency Stress tests，是一個實驗工具和一套測試工具，用于幫助研究JVM、類庫和硬件中并發支持的正確性。詳細使用可以參考文章：https://www.cnblogs.com/wwjj4811/p/14310930.html

1.生成壓測工程

mvn archetype:generate -DinteractiveMode=false -DarchetypeGroupId=org.openjdk.jcstress -DarchetypeArtifactId=jcstress-java-test-archetype -DarchetypeVersion=0.5 -DgroupId=com.alvin -DartifactId=juc-order -Dversion=1.0

生成的工程代碼如下圖：

2.填充測試內容

• 方法actor1?是壓測第一個線程干的活，將結果保存到I_Result中。
• 方法actor2是壓測第二個線程干的活
• 類前面的@Outcome?注解用來展示驗證結果，特別是id="0"這個是我們感興趣的結果

3.運行壓測工程

mvn clean install java -jar target/jcstress.jar

4.查看運行結果

運行結果如下圖所示：

• 有4000多次出現了0的結果
• 大部分情況的結果還是1和4

你是不是還是很困惑，其實這就是并發執行的一些坑，我們下面來解釋下原因。

原因分析

如果先要出現r1的值等于0?，那么有一個可能0+0=0?，那么也就是num=0。

你可能想num怎么可能等于0，代碼邏輯明明是先設置num=2?,然后才修改ready=true?, 最后才會走到num+num 的邏輯啊....

在并發的世界里，我們千萬不要被固有的思維限制了，那是不是有可能num=2和ready=true的執行順序發生了變化呢。如果你想到這里，也基本接近真相了。

原因： JAVA中在指令不存在依賴的情況下，會進行順序的調整，這種現象叫做指令重排序，是 JIT 編譯器在運行時的一些優化。這也是為什么出現0的根本原因。

指令重排不會影響單線程執行的結果，但是在多線程的情況下，會有個可能出現問題。

理解指令重排序

前面提到出現問題的原因是因為指令重排序，你可能還是不大理解指令重排序究竟是什么，以及它的作用，那我這邊用一個魚罐頭的故事帶大家理解下。

我們可以把工人當做CPU，魚當做指令，工人加工一條魚需要 50 分鐘，如果一條魚、一條魚順序加工，這樣是不是比較慢？

沒辦法得優化下，不然要喝西北風了，發現每個魚罐頭的加工流程有 5 個步驟：

• 去鱗清洗 10分鐘
• 蒸煮瀝水 10分鐘
• 加注湯料 10分鐘
• 殺菌出鍋 10分鐘
• 真空封罐 10分鐘

每個步驟中也是用到不同的工具，那能否可以并行呢？如下圖所示：

我們發現中間用很多步驟是并行做的，大大的提高了效率。但是在并行加工魚的過程中，就會出現順序的調整，比如先做第二條的魚的某個步驟，然后在做第一條魚的步驟。

現代 CPU 支持多級指令流水線，幾乎所有的馮?諾伊曼型計算機的 CPU，其工作都可以分為 5 個階段：取指令、指令譯碼、執行指令、訪存取數和結果寫回，可以稱之為五級指令流水線。CPU 可以在一個時鐘周期內，同時運行五條指令的不同階段（每個線程不同的階段），本質上流水線技術并不能縮短單條指令的執行時間，但變相地提高了指令地吞吐率。

處理器在進行重排序時，必須要考慮指令之間的數據依賴性

單線程環境也存在指令重排，由于存在依賴性，最終執行結果和代碼順序的結果一致

多線程環境中線程交替執行，由于編譯器優化重排，會獲取其他線程處在不同階段的指令同時執行

volatile關鍵字

那么對于上面的問題，如何解決呢？

使用volatile關鍵字。

volatile? 的底層實現原理是內存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）

• 對volatile 變量的寫指令后會加入寫屏障
• 對volatile 變量的讀指令前會加入讀屏障

內存屏障本質上是一個CPU指令，形象點理解就是一個柵欄，攔在那里，無法跨越。

內存屏障分為寫屏障和讀屏障，有什么有呢？

1.保證可見性

• 寫屏障保證在該屏障之前的，對共享變量的改動，都同步到主存當中
• 讀屏障保證在該屏障之后，對共享變量的讀取，加載的是主存中最新數據

2.保證有序性

寫屏障會確保指令重排序時，不會將寫屏障之前的代碼排在寫屏障之后

讀屏障會確保指令重排序時，不會將讀屏障之后的代碼排在讀屏障之前

回到前面的問題，如果對ready?加了volatile以后，那么num=2就無法到后面去了，同樣讀取也是，如上圖所示。

final底層也是通過內存屏障實現的，它與volatile一樣。

• 對final變量的寫指令加入寫屏障。也就是類初始化的賦值的時候會加上寫屏障。
• 對final變量的讀指令加入讀屏障。加載內存中final變量的最新值。

總結

JAVA并發中的有序性問題其實比較難理解，本文通過一個例子驗證了并發情況下會出現有序性的問題，從而引發意想不到的結果。這個主要的原因是為了提高性能，指令會發生重排序導致的。為了解決這樣的問題，我們可以使用volatile這個關鍵字修飾變量，它能夠保證有序性和可見性，但是無法保證原子性。如果以后遇到一些成員變量或者靜態變量就要特別注意了，需要分析并發情況下會有哪些問題。