Java併發程式設計-併發程式設計的Bug源頭：可見性、原子性和有序性問題

Eric597247482發表於2019-03-31
Java程式設計

學習極客時間上的《Java併發程式設計實戰》課程之餘，結合自己的理解整理一部分筆記以鞏固知識。

併發程式設計的起源

  • 1.硬體裝置發展的核心矛盾：CPU、記憶體、I/O裝置三者間存在的速度差異。根據木桶原理，程式整體效能最終受制於速度最慢的I/O裝置。
  • 2.為了平和三者速度差異，計算機體系結構、作業系統、編譯程式都做出了貢獻，主要體現為：
  • （1）CPU增加了快取，以均衡與記憶體的速度差異；
  • （2）作業系統增加了程式、執行緒，以分時複用CPU，進而均衡CPU與I/O裝置的速度差異；
  • （3）編譯程式優化指令執行順序，使得快取能夠得到更加合理地利用。

併發程式設計出現問題的源頭

一：快取導致的可見性問題

單核時代，所有執行緒在同一CPU上雲析，CPU快取與記憶體的資料一致性容易解決。如下圖，執行緒A與B操作同一個CPU裡的快取，故A修改過變數V後，B再訪問變數V，得到的一定是最新值，即A修改過的值。

單核CPU快取與記憶體的關係
一個執行緒對共享變數的修改，另一個執行緒可以立即看到，稱之為可見性。

多核時代，每個CPU都有各自的快取，當多個執行緒在不同的CPU上執行時，這些執行緒操作的是不同的CPU快取，如下圖所示，執行緒A所修改的CPU-1快取中的變數V，這個操作對執行緒B則不具有可見性。

多核CPU的快取與記憶體關係

二：執行緒切換帶來的原子性問題

高階語言裡一條語句往往需要多條 CPU 指令完成,例如要完成count += 1，至少需要三條CPU指令。

  • 指令1：把變數count從記憶體載入到CPU的暫存器中；
  • 指令2：在暫存器中執行 +1 操作；
  • 指令3：將結果寫入記憶體（快取機制導致可能寫入的是CPU快取而不是記憶體）

作業系統進行執行緒切換，可以發生在任何一條CPU指令執行完（不是高階語言中的一條語句）。如下圖所示，假設線上程A執行第一條CPU指令後發生了執行緒切換，A與B會以圖中順序執行。得到的count不是我們期望的2，而是1.

非原子操作的執行路徑示意圖
我們把一個或者多個操作在 CPU 執行的過程中不被中斷的特性成為原子性。CPU可以保證的原子操作是CPU指令級別，而高階語言層面保證操作的原子性。

三：編譯優化帶來的有序性問題

有序性指的是程式按照程式碼先後順序執行，而編譯器為了優化效能，有時候會改變程式中語句的先後順序。 舉一個Java中的一個經典案例，雙重檢查的單例模式。

pubic class Singleto {
    static Singleto instance;
    static Singleto getInstance(){
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleto.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
    }
    
    return instance;
}
複製程式碼

假設執行緒A、B同時呼叫getInstance()方法，乍一看上去，執行緒發現instance == null 後，會對Singleto.class加鎖，JVM保證只有一個執行緒可以獲得該鎖，則另一個執行緒會處於等待狀態。最後只有一個執行緒建立例項成功，另一個執行緒在鎖釋放後獲得鎖，然後檢查instance == null時，發現Singleto例項已經建立成功，所以不會再建立一個Singleto例項。 實際上，getInstance()方法是存在問題的，問題就在new操作上，我們預設任務new操作會以以下順序執行：

  • 1.在堆上分配一塊記憶體M；
  • 2.在記憶體M上初始化Singleto物件的例項；
  • 3.把M的地址賦值給instance變數。

但經過優化後的執行順序可能是這樣的：

  • 1.分配一塊記憶體M；
  • 2.將M的地址賦值給instance變數；
  • 3.最後在記憶體M上初始化Singleto物件。

假如執行緒A執行完指令2之後恰好發生了執行緒切換，切換到了執行緒B，B也執行getInstance()方法，則B會判斷instance != null，所以直接返回instance，而此時instance還沒有經過初始化，訪問該變數會觸發空指標異常。如下圖所示。

雙重檢查建立單利的異常執行路徑

總結

併發程式經常出現的問題歸根結底是直覺欺騙了我們，要診斷併發Bug，需要深刻理解可見性、原子性、有序性在併發場景下的原理。

併發程式設計Bug源頭：快取帶來的可見性問題；執行緒切換帶來的原子性問題；編譯優化帶來的有序性問題。

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