深入理解并发编程中的三个问题-51CTO.COM

1.可见性

可见性（Visibility）：是指一个线程对共享变量进行修改，另一个先立即得到修改后的最新值。

1.1 可见性案例演示

一个线程根据boolean类型的标记flag， while循环，另一个线程改变这个flag变量的值，另一个线程并不会停止循环。

public class VisibilityTest {
    // 多个线程都会访问的数据，我们称为线程的共享数据
    // 定义一个静态的 boolean 变量 run，初始值为 true
    private static boolean run = true; 

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建并启动线程 t1
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            // 在 run 变量为 true 时循环输出消息
            while (run) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程1 run = " + run);
            }
            // 循环结束后输出最终消息
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程1 run = " + run);
        });
        t1.start(); // 启动线程 t1

        Thread.sleep(1000); // 主线程睡眠1秒钟

        // 创建并启动线程 t2
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            run = false; // 将 run 变量设置为 false
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "时间到，线程2设置为false");
        });
        t2.start(); // 启动线程 t2
    }
}

输出结果：

Thread-0线程1 run = true
Thread-0线程1 run = true
// .....结果省略
Thread-1时间到，线程2设置为false
Thread-0线程1 run = false

线程1开始运行时run=true,所以会不断循环输出Thread-0线程1 run = true,线程2运行后设置run=false,线程1发现run=true后就停止输出。

总结：并发编程时，会出现可见性问题，当一个线程对共享变量进行了修改，另外的线程并没有立即看到修改后的最新值。

2.原子性

原子性（Atomicity）：在一次或多次操作中，要么所有的操作都执行并且不会受其他因素干扰而中断，要么所有的操作都不执行。

2.1 可见性案例演示

5个线程各执行1000次 i++

public class AtomicityTest {
    private static int number = 0; // 定义一个静态的整数变量 number，初始值为 0

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable increment = () -> {
            // 定义一个 Runnable 匿名类 increment，用于对 number 进行累加操作
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                number++; // 对 number 进行累加操作
            }
        };

        ArrayList<Thread> ts = new ArrayList<>(); // 创建一个 ArrayList 用于存储线程对象
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Thread t = new Thread(increment); // 创建一个新线程，传入 increment Runnable 实例
            t.start(); // 启动线程
            ts.add(t); // 将线程对象添加到 ArrayList 中
        }

        for (Thread t : ts) {
            t.join(); // 等待所有子线程执行完毕
        }

        System.out.println("number = " + number); // 输出最终的 number 值
    }
}

思考：最终number结果可能是多少？

结果可能是5000，也可能是小于5000的结果都有可能。

对于 number++ 而言（number 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

9: getstatic #12 // Field number:I
12: iconst_1
13: iadd
14: putstatic #12 // Field number:I

可见number++是由多条语句组成，以上多条指令在一个线程的情况下是不会出问题的，但是在多线程情况下就可能会出现问题。比如一个线程在执行13: iadd时，另一个线程又执行9: getstatic。会导致两次number++，实际上只加了1。

总结：并发编程时，会出现原子性问题，当一个线程对共享变量操作到一半时，另外的线程也有可能来操作共享变量，干扰了前一个线程的操作。

3.有序性

有序性（Ordering）：是指程序中代码的执行顺序，Java在编译时和运行时会对代码进行优化，会导致程序最终的执行顺序不一定就是我们编写代码时的顺序。

3.1. 有序性可见性案例演示

有序性

jcstress是Java并发压测工具。

pom文件，添加依赖。

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jcstress</groupId>
    <artifactId>jcstress-core</artifactId>
    <version>0.5</version>
</dependency>

代码：

@JCStressTest
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "danger")
@State
public class OrderingTest {

   int num = 0;
   boolean ready = false;
   // 线程1执行的代码
    @Actor
   public void actor1(I_Result r) {
       if (ready) {
           r.r1 = num + num;
       } else {
           r.r1 = 1;
       }
   }

   // 线程2执行的代码
    @Actor
   public void actor2(I_Result r) {
       num = 2;
       ready = true;
   }
}

I_Result 是一个对象，有一个属性 r1 用来保存结果。

思考：在多线程情况下可能出现几种结果？

情况1：线程1先执行actor1，这时ready = false，所以进入else分支结果为1。
情况2：线程2执行到actor2，执行了num = 2;和ready = true，线程1执行，这回进入 if 分支，结果为 4。
情况3：线程2先执行actor2，只执行num = 2；但没来得及执行 ready = true，线程1执行，还是进入else分支，结果为1。

注意：还有第四种情况，结果为0。

情况4：线程2java编译后结果

ready = true;
num = 2;

线程2先执行actor2，执行了ready = true，但没来得及执行执行num = 2，线程1执行，还是进入if分支，结果为0。

运行测试：

mvn clean install
java -jar target/jcstress.jar

部分jcstress测试结果，0结果出现1384次。

完整pox.xml：

<properties>
        <maven.compiler.source>8</maven.compiler.source>
        <maven.compiler.target>8</maven.compiler.target>
        <project.build.sourceEncoding>UTF-8</project.build.sourceEncoding>
        <javac.target>1.8</javac.target>
        <uberjar.name>jcstress</uberjar.name>
    </properties>

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jcstress</groupId>
            <artifactId>jcstress-core</artifactId>
            <version>0.5</version>
        </dependency>
    </dependencies>


    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                <version>3.1</version>
                <configuration>
                    <compilerVersion>${javac.target}</compilerVersion>
                    <source>${javac.target}</source>
                    <target>${javac.target}</target>
                </configuration>
            </plugin>

            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-shade-plugin</artifactId>
                <version>2.2</version>
                <executions>
                    <execution>
                        <id>main</id>
                        <phase>package</phase>
                        <goals>
                            <goal>shade</goal>
                        </goals>
                        <configuration>
                            <finalName>${uberjar.name}</finalName>
                            <transformers>
                                <transformer
                                        implementation="org.apache.maven.plugins.shade.resource.ManifestResourceTransformer">
                                    <mainClass>org.openjdk.jcstress.Main</mainClass>
                                </transformer>
                                <transformer implementation="org.apache.maven.plugins.shade.resource.AppendingTransformer">
                                    <resource>META-INF/TestList</resource>
                                </transformer>
                            </transformers>
                        </configuration>
                    </execution>
                </executions>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>