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文章目录
- 1. 观察线程不安全
- 2. 线程不安全的原因
- 2.1 抢占式执行
- 2.2 修改共享数据
- 2.3 修改操作不是原子的
- 2.4 内存可见性
- 特别介绍 "工作内存"和"主内存"
- 2.5 代码顺序性
1. 观察线程不安全
多线程带来的风险——线程安全(即一个代码在多线程环境下，执行会出现问题)
那么为什么会出现线程安全问题呢???
【本质原因】线程在系统中的调度是无序的/随机的，即抢占式执行
我们创建2个线程，分别自增3w次，最后打印结果，想要得到6w的结果，通过下述代码，观察线程不安全，到底是怎么个事呢~我们一起来看看吧！
// 线程安全问题
public class Counter {private int count = 0;public void add() {count++;}public int getCount() {return count;}
}
public class ThreadDemo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Counter counter = new Counter();//创建两个线程 两个线程分别对这个counter 自增3w次Thread t1 = new Thread(()->{for(int i = 0; i < 300000; i++) {counter.add();}});Thread t2 = new Thread(()->{for(int i = 0; i < 300000; i++) {counter.add();}});t1.start();t2.start();//等待两个线程执行完成t1.join();t2.join();System.out.println(counter.getCount());}
}
多次运行结果如下：
通过上面程序，两个线程针对同一个变量各自自增3w次，运行结果可以看到，预期结果为6w，实际结果却像是一个随机值，每次运行程序后的结果不一样
实际结果和预期结果不相符，这就是bug！由多线程引起的bug，即线程不安全/线程安全问题
为什么会出现这个情况呢？下面进行具体的分析：
与线程的随机调度密切相关~
【具体分析】
count++的操作 本质上是由三个CPU指令构成，如下：
1）load 把内存中的数据读取到CPU寄存器中
2）add 把寄存器中的值，进行+1运算
3）save 把寄存器中的值写回到内存中
由于多线程调度顺序是不确定的，实际执行的过程中，t1 和 t2 这两个线程的 ++ 操作实际的指令排列顺序就会有很多个可能，通过下面指令排序示意图，我们来具体感受一下：
【补充说明】
t1 和 t2 是两个线程，肯定是运行在不同的CPU的核心上，也可能是运行在同一个CPU核心上(分时复用，并发)
这两种情况的最终效果一致，下面拿简单的在不同CPU核心上运行的情况为例进行演示，分析具体：
同理分析图3，可以得到：
其中图2、3指令的排列情况，此时看到两个线程各自自增1次，最终结果为2，循环3w次，可保证结果为6w，此时是没有bug的，结果正确!!!但是线程调度是无序的，上述代码我们并不知道是按照哪种情况来的，两个线程自增的过程中，到底经历了什么，我们并不清楚“顺序执行”与“交错执行”的次数，再来看看其它情况：
1.t2线程load，将内存的数据0读取到CPU寄存器中
2.t1线程load,将内存的数据0读取到CPU寄存器中
3.t1线程add，将寄存器中的值进行+1，为1
4.t1线程save，将寄存器中的值1写回到内存中，内存中为1
5.t2线程add，将寄存器中的值进行+1，为1
6.t2线程save，将寄存器中的值1写回到内存中，覆盖掉之前的内存值1，但内存值目前仍然为1，出现bug
此时发现，按照上述执行过程，两个线程自增两次，最后结果为1，说明bug出现了，其中一次自增的结果，被另一个给覆盖了所以出现这种情况，出现bug后，得到的结果一定是 <= 6w
【思考】但结果一定是 >= 3w吗???
答案：不是，实际上，结果可以是小于3w的，只是概率更低了
比如这种情况，如图所示：
t1自增1次，t2自增2次，最后结果还是1，两次无效自增，当然t2也可能让t1出现更多次的无效自增，此时完全可以实现结果小于3w，只不过是概率问题
【总结】
线程安全问题归根结底是因为线程的无序调度，导致了执行顺序的不确定，结果就发生了变化
下面具体细分线程不安全的原因，一起来看看~
2. 线程不安全的原因
2.1 抢占式执行
抢占式执行是根本原因!!!线程在系统中的调度是随机的!!!
2.2 修改共享数据
多个线程修改同一个变量，是线程不安全的!!!以下几种情况线程安全：
一个线程修改同一个变量——> 安全
多个线程读取同一个变量——> 安全
多个线程修改不同的变量——> 安全
在上述线程不安全的代码中，涉及到多个线程对同一个变量 counter.count 变量进行修改，即 counter.count 变量是一个线程都能够访问的共享数据
这个原因很好理解，如果多个线程修改同一个变量，由于抢占式执行，这个线程修改完，又被另一个线程修改完的数据给覆盖，就会导致线程不安全问题
2.3 修改操作不是原子的
【原子性】不可分割的最小单位
注意：一条 java 语句不一定是原子的，也不一定只是一条指令
比如上述代码中 counter.count变量的 ++ 的操作里，其实是有三个操作组成，即对应三条指令：
1）从内存中把数据读到CPU
2）把寄存器中的值，进行+1运算
3）把寄存器中的值写回到内存中
其中的某个操作，对应单个的CPU指令，即原子的，如果这个操作对应多个CPU指令，大概率就不具有原子性啦
【补充】如果直接使用 = 赋值，就是一个原子的操作
【不保证原子性会给多线程带来什么问题呢？】
如果一个线程正在对一个变量操作，在操作过程中其他线程插入进来了，如果这个操作被打断了，结果可能就是错误的!!!即正是因为不是原子的，导致这两个线程的指令排列存在很多种可能(与线程的抢占式调度密切相关，如果线程不是"抢占"的，就算这个操作不是原子的，那也是没有什么问题的)
上述三个场景均是当前代码 counter.count++ 线程不安全原因，另外还有几种场景会引起线程不安全问题，和当前的栗子count++ 无关，场景如下：
2.4 内存可见性
【含义】可见性指的是一个线程对共享变量值的修改，能够及时被其它线程看到
通俗的说，所谓内存可见性，就是在多线程环境下，编译器对于代码的优化，产生了误判，从而引起bug，进一步导致代码的bug
【Java内存模型(JMM)】Java虚拟机规范了Java内存模型
【目的】屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果
下面的这一套的说法，称为JMM，其概念来自于 jvm 规范文档，相当于是官方给出的这套说法在描述内存可见性，会涉及到主内存、工作内存这两个词，下面具体来介绍介绍这两个概念~
特别介绍 “工作内存"和"主内存”
内存可见性问题，举个栗子，如下：
t1 线程频繁读取主内存，效率是十分低的，就被优化成直接读自己的工作内存
t2 线程修改主内存的结果，由于 t1 没有读主内存，仍然读的是自己工作内存，修改不能被识别到，导致出现bug
(通俗一点讲就是，t1 需要经常读取内存，一直是一个值，很聪明，直接优化读自己的工作内存，但是 t2 修改了主内存，t1 仍然在读工作内存，则会出错)
这里和我们平时所了解的不太一样，所以在这里特别说明
【工作内存】CPU寄存器和缓存
【主内存】才是我们平时所说的内存条，真正的内存
【为什么会不一致呢】
其实是因为，这两个词语翻译自英文
工作内存 —— work memory
主内存—— main memory
事实上，memory 这个英文单词并不一定就特指内存条，它其实也可以翻译成"存储区"，单纯地表示"一个用来存储的空间"而已，在翻译过来的时候，仍将 memory 翻译成"内存"，work memory 就被翻译为"工作内存"
这样就会让我们误会：内存条还分为不同的种类吗？根据功能分为"工作内存"和"主内存"吗？
其实并不是的!!!实际上所说的"工作内存"，应理解为"工作存储区"更为合适，它是CPU寄存器和缓存，与内存条无关的!!!
【为什么 Java 官方用work memory 描述呢】
主要是因为，Java是跨平台的意味着它必须满足如下条件：
1）兼容多种操作系统
2）兼容多种硬件设备，尤其是 CPU!!! 而不同的硬件之间，CPU会有比较大的差异
比如，以前的CPU上只有寄存器，但是现在的CPU上除了寄存器，还有缓存，随着时代的发展，有的CPU还有好几个缓存，目前常见的是三级缓存：L1、L2、L3，如下：
这样一来，Java官方文档要指CPU内部的存储空间，如果只提到"CPU寄存器"，那就十分不严谨，因为还有各种缓存，如果使用"CPU寄存器和缓存"描述，名字又过长过于麻烦，因此，官方直接发明了一个新的术语：work memory 来代表CPU寄存器和缓存，即CPU内部的存储空间
【为什么要这么麻烦拷来拷去】
因为 CPU 访问自身寄存器的速度以及高速缓存的速度，远远超过访问内存的速度(快3 - 4个数量级， 即快几千倍, 上万倍)
比如在某个代码中要连续 1000 次读取某个变量的值，如果 1000 次都从内存读，速度很慢，但是如果
只是第一次从内存读，读到的结果缓存到 CPU 的某个寄存器中，那么后 999 次读数据就不必直接访问
内存了，效率就会大大提高!!!
【补充说明】
缓存的读取速度介于寄存器和内存之间，其中三级缓存中，L1 最快，仍比寄存器慢，但空间最小，L3 最慢，但也比内存快很多，空间最大
在这里特别说明一下
快和慢都是相对的，CPU 访问寄存器速度远远快于内存, 但是内存的访问速度又远远快于硬盘，对应的，CPU 的价格最贵，内存次之，硬盘最便宜
访问速度：CPU >> 内存 >> 硬盘
价格：CPU >> 内存 >> 硬盘
2.5 代码顺序性
【含义】代码的顺序性，即指令重排序~具体是什么呢？下面通过一个例子来进行解释：
1）去菜鸟驿站取杯子快递
2）回宿舍玩耍
3）去菜鸟驿站取本子快递
如果是在单线程的情况下，JVM、CPU指令集合会对其进行优化，比如按照 1->3->2的方式执行，是没有任何问题的，这样执行的方式还少跑一趟，直接一起取了，这种即为指令重排序
编译器对于指令重排序的前提是"保持逻辑不发生变化"，这点在单线程的环境下比较容易判断，但是在多线程环境中，较为复杂，就不那么容易判断了，多线程的代码执行的复杂程度更高，编译器很难再编译阶段对代码的执行效果进行预测，因此重排序很容易导致优化前后的不等价，这就会出现问题
【特别说明】重排序是一个很复杂的话题，涉及到CPU以及编译器的一些底层工作管理，此处不作太多补充
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✨✨✨本期内容到此结束啦~下期内容将介绍如何解决线程安全问题(期待ing)
