[Java知识库]线程安全—可见性有序性

线程安全—可见性有序性

volatile

• 线程可见性问题

public class VolatileExample {
    public  static volatile boolean stop = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() ->{
            int i = 0;
            //活性失败
            while (!stop){
                i++;
                System.out.println(i);
//                try {
//                    Thread.sleep(0);
//                } catch (InterruptedException e) {
//                    e.printStackTrace();
//                }

            }
        });
        t1.start();
        System.out.println("begin start thread");
        Thread.sleep(1000);
        stop=true;
    }
}

• 了解可见性本质

  CPU资源利用问题

  • CPU增加高速缓存
    • 操作系统中，增加进程、线程。->通过CPU的时间片的切换，提升CPU利用率。
  • 编译器（JVM的深度优化）

• 从cpu层面了解可见性有序性问题

• JVM模型

• Happens-Before模型

CPU的高速缓存

缓存行

伪共享问题

多个线程访问缓存行，某一个线程获得锁访问此缓存行时会将其他置为失效；影响性能。（空间换时间概念，每次线程访问都会加载缓存行）

对齐填充（@Contended注解）

解决不断让缓存失效，不断从内存中加载的问题

填充在基础上填充空的，就不会有其他的线程来竞争

缓存一致性问题

• 总线锁

• 缓存锁：通过降低锁的范围来增加效率

  • 缓存一致性协议（MESI、MOSI）
  • MESI表示缓存的四种状态（修改 、失效、独占、共享）：共享的时候需要把所有的置为失效才能进行修改（共享在各个核心CPU中的高速缓存失效，在进行修改，保证一致性），比如修改a=1时，先将缓存中置为失效在修改主内存中的值；每个线程都会对主线程进行监视。

  cpu->cache-缓存锁、总线锁（总线上加一个互斥锁）（Lock）->主内存

  不支持缓存锁的情况下架总线锁（volatile）

CPU层面的指令重排序

CPU层面、JVM层面，优化执行的执行顺序

CPU层面如何导致指令重排序

CPU把数据存入store buffer中，（异步）在同时通知其他CPU此缓存行失效，不影响后续的指令操作，最后操作数据再存入主线程中。不需要等待，直接往下走（内存屏障）

单线程的重排序不影响结果。

将数据加载到storebuffer中，再通过指令将其他cpu中的缓存行失效，但不影响下面的指令操作（直接读取缓存行的数据），指令完成后其他CPU返回的值更新，同步到缓存以及内存中（保持一致）；最后再读取缓存行的数据（此时已经同步）

store forwarding/store buffer

内存屏障

CPU层面不知道什么时候不允许优化，什么时候允许优化

解决可见性问题（全屏障，读屏障、写屏障）

• 读屏障（lfence）load
• 写屏障（sfence）save
• 全屏障（mfence）mix

linux：

smp_rmb-写屏障方法

smp_wmb-读屏障方法

smp_mb-读写屏障

Lock

• 缓存锁/总线锁
• 内存屏障的问题

在不同的CPU框架中，实现内存屏障的指令不同

• Lock
• StroeBuffrer
• LoadBuffer

volatile：解决多线程下的可见性问题，用到了内存屏障，用到了缓存锁