共享带来的问题

一、共享问题与分析

两个线程对初始值为0的静态变量（共享资源、共享区）一个做自增，一个做自减，各做5000次，结果是0吗？

public class ThreadProblem {
    static int counter = 0;//共享区
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            for(int i=0;i<5000;i++){
                counter++;
            }
        },"t1");
        Thread t2 =new Thread(()->{
            for (int i=0;i<5000;i++){
                counter--;
            }
        },"t2");
        t1.start();
        t2.start();
        //主线程等待线程t1和线程t2执行完毕
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("counter:"+counter);
    }
}

答案显然不一定总是0，结果可能是正数、负数、零，这是分时系统自身的弊端，注意这不是CPU调度的问题，因为即使CPU调度问题，线程t1也是执行了5000次自加操作，线程t2也是执行了5000次自减操作，只不过是执行的顺序不确定，但最后的值理应是0，最主要的原因是：Java中的自加和自减操作不是原子操作(更新的值一次存入内存中，指令无法再细分)，所以在执行机器指令的时候可能会存在CPU时间片用完，而没有成功地将结果值写入静态变量的情况，具体解释如下：

对于i++而言（i为静态变量），实际会产生如下的JVM字节码指令：

getstatic        i //获取静态变量i的值
iconst_1           //准备常量1
iadd               //自增
putstatic        i //将修改后的值存入静态变量i

对于i—而言（i为静态变量），实际会产生如下的JVM字节码指令：

getstatic        i //获取静态变量i的值
iconst_1           //准备常量1
isub               //自增
putstatic        i //将修改后的值存入静态变量i

所以对于Java内存模型来说，完成静态变量的自增，自减需要在内存和工作内存中进行数据交换：

学过JVM后可知，实际上线程的工作内存是栈帧内的局部变量表和操作数栈，主内存指的是方法区，因为共享静态变量存入方法区中。

如果是单线程，以上8行代码是顺序执行（不会交错），没有问题：

但实际上，因为线程执行有固定时间（时间片），时间片结束后当前线程会立马进入就绪态，所以可能出现以下问题，仅拿出现负数的情况举例：

线程1执行对counter变量的减法操作，当要将自减后的值写入方法区中时，时间片用尽，最后一条“写入方法区”的指令存入线程1的TCB的PC中，CPU切换到线程2上，线程2将自增后的值写入静态变量中，切换到线程1，线程1将之前的-1值写入静态变量中，这样即出现了写入负值的情况。

二、临界区与竞态条件

临界区 Critical Section：

• 一个程序运行多个线程本身是没有问题的

• 问题出在多个线程访问共享资源

   若多个线程读**共享资源**其实也没有问题<br />       在多个线程对共享资源读写操作（又读又写）时发生指令交错，就会出现问题

• 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区，即访问共享资源的那段代码称为临界区

例如，下面代码中的临界区为：

static int counter = 0;//共享资源
    //对共享资源访问，故为临界区
    static void increment(){
        counter++;
    }
    //临界区
    static void decrement(){
        counter--;
    }

竞态条件 Race Condition：

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

三、问题总结

一句话，多线程访问共享资源，因为时间片缘故，导致多线程的指令序列混乱，从而共享资源出现异常，注意此问题一定是出现在多线程访问同一共享资源的情况下。