多线程的线程安全与锁

1 并发问题出现的根源

众所周知，CPU、内存、I/O 设备的速度是有极大差异的，为了合理利用 CPU 的高性能，平衡这三者的速度差异，计算机体系结构、操作系统、编译程序都做出了贡献，主要体现为:

• CPU 增加了缓存，以均衡与内存的速度差异；导致可见性问题。
• 操作系统增加了进程、线程，以分时复用 CPU，进而均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异；导致原子性问题。

• 编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用；导致有序性问题。

  1.1 可见性：CPU缓存引起

  可见性：一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到。
  两个线程分别由不同的CPU执行，线程1对变量声明初始化之后先写入缓存，再写入内存，线程1修改变量后先写入缓存，此时线程2执行，从内存中读取到的是线程1修改后还未被写入内存的值。
  

  1.2 原子性：分时复用引起

  原子性：CPU分时复用引起，即一个操作或者多个操作，要么全部执行且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
  

  1.3 有序性：指令重排序引起

  有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
  在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分三种类型：

• 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

• 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
• 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM 的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。对于处理器重排序，JMM 的处理器重排序规则会要求 java 编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（memory barriers，intel 称之为 memory fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。

2 怎么解决并发问题

2.1 理解的第一个维度：核心知识点

JMM（Java内存模型）本质上可以理解为，Java 内存模型规范了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。具体来说，这些方法包括：

• volatile、synchronized 和 final 三个关键字
• Happens-Before 规则

  2.2 理解的第二个维度：原子性、可见性、有序性

  原子性

  在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

  可见性

  Java提供了volatile关键字来保证可见性。
  当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。
  而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。

  另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

有序性

在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。当然JMM是通过Happens-Before 规则来保证有序性的。