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Java多线程与高并发专题——保障可见性和有序性

article 2025/1/31 1:34:33

保障可见性和有序性

synchronized

synchronized可以解决可见性问题的。（通过synchronized的内存语义解决）

如果涉及到了synchronized的同步代码块或者是同步方法，获取锁资源之后，将内部涉及到的变量从CPU缓存中移除，必须去主内存中重新拿数据，而且在释放锁之后，会立即将CPU缓存中的数据同步到主内存。

private static boolean flag = true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            synchronized (MiTest.class){// 锁要放在循环里才行
                //...
            }
            System.out.println(111);// 通过输出语句也是可以解决的
        }
        System.out.println("t1线程结束");

    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

Lock

Lock锁保证可见性的方式和synchronized完全不同，synchronized基于他的内存语义，在获取锁和释放锁时，对CPU缓存做一个同步到主内存的操作。

Lock锁是基于volatile实现的。Lock锁内部在进行加锁和释放锁时，会对一个由volatile修饰的state属性进行加减操作。

如果对volatile修饰的属性进行写操作，CPU会执行带有lock前缀的指令，CPU会将修改的数据，从CPU缓存立即同步到主内存，同时也会将其他的属性也立即同步到主内存中。还会将其他CPU缓存行中的这个数据设置为无效，必须重新从主内存中拉取。

private static boolean flag = true;
private static Lock lock = new ReentrantLock();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        while (flag) {
            lock.lock();// 也可以不用lock，直接在里面对一个被volatile修饰的变量做修改，它们本质是一样的。
            try{
                //...
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }
        System.out.println("t1线程结束");

    });

    t1.start();
    Thread.sleep(10);
    flag = false;
    System.out.println("主线程将flag改为false");
}

volatile

概念

volatile是一个关键字，用来修饰成员变量。如果属性被volatile修饰，相当于会告诉CPU，对当前属性的操作，不允许使用CPU的缓存，必须去和主内存操作。

volatile的内存语义：

volatile属性被写：当写一个volatile变量，JMM会将当前线程对应的CPU缓存及时的刷新到主内存中
volatile属性被读：当读一个volatile变量，JMM会将对应的CPU缓存中的内存设置为无效，必须去主内存中重新读取共享变量

其实加了volatile就是告知CPU，对当前属性的读写操作，不允许使用CPU缓存，加了volatile修饰的属性，会在转为汇编之后后，追加一个lock的前缀。

CPU执行这个指令时，如果带有lock前缀会做两个事情：

将当前处理器缓存行的数据写回到主内存
这个写回的数据，在其他的CPU内核的缓存中，直接无效。

volatile的本质，就是让CPU每次操作这个数据时，必须立即同步到主内存，以及从主内存读取数据。

除此之外，基于volatile修饰属性，对这个属性的操作，就不会出现指令重排的问题了。

volatile如何实现的禁止指令重排？

主要是通过内存屏障的概念。

可以将内存屏障看成一条指令。

会在两个操作之间，添加上一道指令，这个指令就可以避免上下执行的其他指令进行重排序。

volatile 的作用

第一层的作用是保证可见性。Happens-before 关系中对于 volatile 是这样描述的：对一个 volatile 变量的写操作 happen-before 后面对该变量的读操作。这就代表了如果变量被 volatile 修饰，那么每次修改之后，接下来在读取这个变量的时候一定能读取到该变量最新的值。
第二层的作用就是禁止重排序。先介绍一下 as-if-serial语义：不管怎么重序，（单线程）程序的执行结果不会改变。在满足 as-if-serial 语义的前提下，由于编译器或 CPU 的优化，代码的实际执行顺序可能与我们编写的顺序是不同的，这在单线程的情况下是没问题的，但是一旦引入多线程，这种乱序就可能会导致严重的线程安全问题。用了 volatile 关键字就可以在一定程度上禁止这种重排序。

volatile 和 synchronized 的关系

相似性：volatile 可以看作是一个轻量版的 synchronized，比如一个共享变量如果自始至终只被各个线程赋值和读取，而没有其他操作的话，那么就可以用 volatile 来代替 synchronized 或者代替原子变量，足以保证线程安全。实际上，对 volatile 字段的每次读取或写入都类似于“半同步”——读取 volatile 与获取 synchronized 锁有相同的内存语义，而写入 volatile 与释放 synchronized 锁具有相同的语义。

不可代替：但是在更多的情况下，volatile 是不能代替 synchronized 的，volatile 并没有提供原子性和互斥性。

性能方面：volatile 属性的读写操作都是无锁的，正是因为无锁，所以不需要花费时间在获取锁和释放锁上，所以说它是高性能的，比 synchronized 性能更好。

拓展

关于提到的概念进行拓展

as-if-serial 语义

不论指令如何重排序，需要保证单线程的程序执行结果是不变的。

而且如果存在依赖的关系，那么也不可以做指令重排。

happens-before 原则

Happens-Before 规则最初是在一篇叫做 Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System 的论文中提出来的，在这篇论文中，Happens-Before 的语义是一种因果关系。在现实世界里，如果 A 事件是导致 B 事件的起因，那么 A 事件一定是先于（Happens-Before）B 事件发生的，这个就是 Happens-Before 语义的现实理解。

Java 内存模型主要分为两部分，一部分面向编写并发程序的应用开发人员，另一部分是面向 JVM 的实现人员的，我们重点关注前者，也就是和编写并发程序相关的部分，这部分内容的核心就是 Happens-Before 规则。

在Java1.5以前版本，用volatile还是会有可见性问题，在Java 内存模型在 1.5 版本对 volatile 语义进行了增强，也就是通过Happens-Before规则。

在 Java 语言里面，Happens-Before 的语义本质上是一种可见性，A Happens-Before B意味着 A 事件对 B 事件来说是可见的，无论 A 事件和 B 事件是否发生在同一个线程里。例如 A 事件发生在线程 1 上，B 事件发生在线程 2 上，Happens-Before 规则保证线程 2上也能看到 A 事件的发生。

比较正式的说法是——Happens-Before 约束了编译器的优化行为，虽允许编译器优化，但是要求编译器优化后一定遵守 HappensBefore规则。

Happens-Before 规则应该是 Java 内存模型里面最晦涩的内容了，和开发相关的规则一共有如下六项，都是关于可见性的：
程序的顺序性规则：这条规则是指在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作 Happens-Before 于后续的任意操作。

volatile 变量规则：这条规则是指对一个 volatile 变量的写操作， Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作。

传递性规则：如果A操作 happen-before B操作，B操作happen-before C操作，那么A操作happen-before C操作。
管程中锁的规则：同一个锁的unlock操作happen-before此锁的lock操作。
管程是一种通用的同步原语，在Java 中指的就是 synchronized，synchronized 是 Java 里对管程的实现。管程中的锁在 Java 里是隐式实现的，例如下面的代码，在进入同步块之前，会自动加锁，而在代码块执行完会自动释放锁，加锁以及释放锁都是编译器帮我们实现的。
synchronized (this) { // 此处自动加锁
    // x 是共享变量, 初始值 =10
    if (this.x < 12) {
        this.x = 12;
    }
} // 此处自动解锁
线程 start() 规则：它是指主线程 A 启动子线程 B 后，子线程 B 能够看到主线程在启动子线程 B 前的操作。换句话说就是，如果线程 A 调用线程 B 的 start() 方法（即在线程 A 中启动线程 B），那么该 start() 操作 Happens-Before 于线程 B 中的任意操作。

线程 join() 规则：这条是关于线程等待的。它是指主线程 A 等待子线程 B 完成（主线程 A 通过调用子线程 B的 join() 方法实现），当子线程 B 完成后（主线程 A 中 join() 方法返回），主线程能够看到子线程的操作。当然所谓的“看到”，指的是对共享变量的操作。换句话说就是，如果在线程 A 中，调用线程 B 的 join() 并成功返回，那么线程 B 中的任意操作 Happens-Before 于该 join() 操作的返回。

线程中断的happen-before原则：对线程 interrupt 方法的调用 happens-before 检测该线程的中断事件。也就是说，如果一个线程被其他线程 interrupt，那么在检测中断时（比如调用 Thread.interrupted 或者 Thread.isInterrupted 方法）一定能看到此次中断的发生，不会发生检测结果不准的情况。

并发工具类的规则：

线程安全的并发容器（如 HashTable）在 get 某个值时一定能看到在此之前发生的 put 等存入操作的结果。也就是说，线程安全的并发容器的存入操作 happens-before 读取操作。

信号量（Semaphore）它会释放许可证，也会获取许可证。这里的释放许可证的操作 happensbefore 获取许可证的操作，也就是说，如果在获取许可证之前有释放许可证的操作，那么在获取时一定可以看到。

Future：Future 有一个 get 方法，可以用来获取任务的结果。那么，当 Future 的 get 方法得到结果的时候，一定可以看到之前任务中所有操作的结果，也就是说 Future 任务中的所有操作happens-before Future 的 get 操作。

线程池：要想利用线程池，就需要往里面提交任务（Runnable 或者 Callable），这里面也有一个 happens-before 关系的规则，那就是提交任务的操作 happens-before 任务的执行。