并发Bug之源有哪些
本篇文章给大家分享的是有关并发Bug之源有哪些,小编觉得挺实用的,因此分享给大家学习,希望大家阅读完这篇文章后可以有所收获,话不多说,跟着小编一起来看看吧。
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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,我们称为可见性
谈到可见性,要先引出 JMM (Java Memory Model) 概念, 即 Java 内存模型,Java 内存模型规定,将所有的变量都存放在 主内存中,当线程使用变量时,会把主内存里面的变量 复制到自己的工作空间或者叫作 私有内存,线程读写变量时操作的是自己工作内存中的变量。
用 Git 的工作流程理解上面的描述就很简单了,Git 远程仓库就是主内存,Git 本地仓库就是自己的工作内存
文字描述有些抽象,我们来图解说明:
看这个场景:
主内存中有变量 x,初始值为 0
线程 A 要将 x 加 1,先将 x=0 拷贝到自己的私有内存中,然后更新 x 的值
线程 A 将更新后的 x 值回刷到主内存的时间是不固定的
刚好在线程 A 没有回刷 x 到主内存时,线程 B 同样从主内存中读取 x,此时为 0,和线程 A 一样的操作,最后期盼的 x=2 就会编程 x=1
这就是线程可见性的问题
JMM 是一个抽象的概念,在实际实现中,线程的工作内存是这样的:
为了平衡内存/IO 短板,会在 CPU 上增加缓存,每个核都只有自己的一级缓存,甚至有一个所有 CPU 都共享的二级缓存,就是上图的样子了,都说这么设计是硬件同学留给软件同学的一个坑,但能否跳过去这个坑也是衡量软件同学是否走向 Java 进阶的关键指标吧......
小提示
从上图中你也可以看出,在 Java 中,所有的实例域,静态域和数组元素都存储在堆内存中,堆内存在线程之间共享,这些在后续文章中都称之为「共享变量」,局部变量,方法定义参数和异常处理器参数不会在线程之间共享,所以他们不会有内存可见性的问题,也就不受内存模型的影响
一句话,要想解决多线程可见性问题,所有线程都必须要刷取主内存中的变量怎么解决可见性问题呢?Java 关键字 volatile帮你搞定,后续章节会分析......
原子性
原子(atom)指化学反应不可再分的基本微粒,原子性操作你应该能感受到其含义:
所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作;这种操作一旦开始,就一直运行到结束,中间不会有任何 context switch
小品「钟点工」有一句非常经典的台词,要把大象装冰箱,总共分几步?
来看一小段程序:
多线程情况下能得到我们期盼的 count = 20000
的值吗? 也许有同学会认为,线程调用的 counter 方法只有一个 count++ 操作,是单一操作,所以是原子性的,非也。在线程第一讲中说过我们不能用高级语言思维来理解 CPU 的处理方式,count++ 转换成 CPU 指令则需要三步,通过下面命令解析出汇编指令等信息:
javap -c UnsafeCounter
截取 counter 方法的汇编指令来看:
解释一下上面的指令, 16 : 获取当前 count 值,并且放入栈顶 19 : 将常量 1 放入栈顶 20 : 将当前栈顶中两个值相加,并把结果放入栈顶 21 : 把栈顶的结果再赋值给 count
由此可见,简单的 count++ 不是一步操作,被转换为汇编后就不具备原子性了,就好比大象装冰箱,其实要分三步:
第一步,把冰箱门打开;第二步,把大象放进去;第三步,把冰箱门带上
结合 JMM 结构图理解,说明一下为什么很难得到 count=20000
的结果:
多线程计数器,如何保证多个操作的原子性呢?最粗暴的方式是在方法上加 synchronized关键字,比如这样:
问题是解决了,如果 synchronized 是万能良方,那么也许并发就没那么多事了,可以靠一个 synchronized 走天下了,事实并不是这样,synchronized 是独占锁 (同一时间只能有一个线程可以调用),没有获取锁的线程会被阻塞;另外也会带来很多线程切换的上下文开销
所以 JDK 中就有了非阻塞 CAS (Compare and Swap) 算法实现的原子操作类 AtomicLong 等工具类,看过源码的同学也许会发现一个共同特点,所有原子类中都有下面这样一段代码:
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
这个类是 JDK 的 rt.jar 包中的 Unsafe 类提供了 硬件级别的原子性操作,类中的方法都是 native 修饰的,后面介绍原子类之前也会先说明这个类中的几个方法,这里先简单介绍有个印象即可。
有同学不理解我刚刚提到的线程上下文切换开销很大是什么意思,举 2个例子你就懂了:
你(CPU)在看两本书(两个线程),看第一本书很短时间后要去看第二本书,看第二本书很短时间后又回看第一本书,并要精确的记得看到第几行,当初看到了什么(CPU 记住线程级别的信息),当让你 "同时"看 10 本甚至更多,切换的开销就很大了吧
综艺节目中有很多游戏,让你一边数钱,又要一边做其他的事,最终保证多样事情都做正确,大脑开销大不大,你试试就知道了????
有序性
生活中你问候他人「吃了吗你?」和「你吃了吗?」是一个意思,你写的是下面程序:
a = 1; b = 2; System.out.println(a); System.out.println(b);
编译器优化后可能就变成了这样:
b = 2; a = 1; System.out.println(a); System.out.println(b);
这个情况,编译器调整了语句顺序没什么影响,但编译器 擅自优化顺序,就给我们埋下了雷,比如应用双重检查方式实现的单例
一切又很完美是不是,非也,问题出现在 instance = new Singleton();
,这 1 行代码转换成了 CPU 指令后又变成了 3 个,我们理解 new 对象应该是这样的:
分配一块内存 M
在内存 M 上初始化 Singleton 对象
然后 M 的地址赋值给 instance 变量
但编译器擅自优化后可能就变成了这样:
分配一块内存 M
然后将 M 的地址赋值给 instance 变量
在内存 M 上初始化 Singleton 对象
首先 new 对象分了三步,给 CPU 留下了切换线程的机会;另外,编译器优化后的顺序可能导致问题的发生,来看:
线程 A 先执行 getInstance 方法,当执行到指令 2 时,恰好发生了线程切换
线程 B 刚进入到 getInstance 方法,判断 if 语句 instance 是否为空
线程 A 已经将 M 的地址赋值给了 instance 变量,所以线程 B 认为 instance 不为空
线程 B 直接 return instance 变量
CPU 切换回线程 A,线程 A 完成后续初始化内容
我们还是画个图说明一下:
如果线程 A 执行到第 2 步,线程切换,由于线程 A 没有把红色箭头执行完全,线程 B 就会得到一个未初始化完全的对象,访问 instance 成员变量的时候就可能发生 NPE,如果将变量 instance 用 volatile 或者 final 修饰(涉及到类的加载机制,可看我之前写的文章: 双亲委派模型:大厂高频面试题,轻松搞定),问题就解决了.
总结
你所看到的程序并不一定是编译器优化/编译后的 CPU 指令,大象装冰箱是是个程序,但其隐含三个步骤,学习并发编程,你要按照 CPU 的思维考虑问题,所以你需要深刻理解 可见性/原子性/有序性,这是产生并发 Bug 的源头
本节说明了三个问题,下面的文章也会逐个分析解决以上问题的办法,以及相对优的方案,请持续关注,另外关于并发的测试代码我都会按例上传到 github,公众号回复「demo」——> concurrency 获取更多内容
灵魂追问
为什么用 final 修饰的变量就是线程安全的了呢?
你会经常查看 CPU 汇编指令吗?
如果让你写单例,你通常会采用哪种实现?
提高效率工具
Material Theme UI
这是一款 IDEA 的主题插件,安装后,选择 Material Palenight
主题,同时作出如下设置
设置完后,你的 IDEA 就是下面这样,引起极度舒适
以上就是并发Bug之源有哪些,小编相信有部分知识点可能是我们日常工作会见到或用到的。希望你能通过这篇文章学到更多知识。更多详情敬请关注创新互联行业资讯频道。
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