Java多线程 – 有序性问题

并发编程三大核心问题

并发编程:有序性问题,有序性。顾名思义,有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行。编译器为了优化性能,有时候会改变程序中语句的先后顺序。

例如程序中:“a=6;b=7;” 编译器优化后可能变成 “b=7;a=6;”

在这个例子中,编译器调整了语句的顺序,但是不影响程序的最终结果。不过有时候编译器及解释器的优化可能导致意想不到的Bug。

什么是有序性

在Java领域一个经典的案例就是利用双重检查创建单例对象,例如下面的代码:在获取实例getInstance()的方法中,我们首先判断instance是否为空,如果为空,则锁定Singleton.class并再次检查instance是否为空,如果还为空则创建Singleton的一个实例。

public class Singleton {
  static Singleton instance;
  static Singleton getInstance(){
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) {
        if (instance == null)
          instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
  }
}

假设有两个线程A、B同时调用getInstance()方法,他们会同时发现 instance == null ,于是同时对Singleton.class加锁,此时JVM保证只有一个线程能够加锁成功(假设是线程A),另外一个线程则会处于等待状态(假设是线程B);

线程A会创建一个Singleton实例,之后释放锁,锁释放后,线程B被唤醒,线程B再次尝试加锁,此时是可以加锁成功的,加锁成功后,线程B检查 instance == null 时会发现,已经创建过Singleton实例了,所以线程B不会再创建一个Singleton实例。

这看上去一切都很完美,无懈可击,但实际上这个getInstance()方法并不完美。问题出在哪里呢?出在new操作上,我们以为的new操作应该是:

  1. 分配一块内存M;
  2. 在内存M上初始化Singleton对象;
  3. 然后M的地址赋值给instance变量。

但是实际上优化后的执行路径却是这样的:

  1. 分配一块内存M;
  2. 将M的地址赋值给instance变量;
  3. 最后在内存M上初始化Singleton对象。

优化后会导致什么问题呢?我们假设线程A先执行getInstance()方法,当执行完指令2时恰好发生了线程切换,切换到了线程B上;如果此时线程B也执行getInstance()方法,那么线程B在执行第一个判断时会发现 instance != null,所以直接返回instance,而此时的instance是没有初始化过的,如果我们这个时候访问 instance 的成员变量就可能触发空指针异常。

双重检查创建单例的异常执行路径

再详细解释下:

线程在synchronized块中,发生线程切换,锁是不会释放的。

如果A线程与B线程如果同时进入第一个分支,那么这个程序就没有问题

如果A线程先获取锁并出现指令重排序时,B线程未进入第一个分支,那么就可能出现空指针问题,这里说可能出现问题是因为当把内存地址赋值给共享变量后,CPU将数据写回缓存的时机是随机的。

解决方法:对volatile加上instance。

知识扩充

并行与并发

进程和线程的关系。进程不占有CPU。操作系统会把CPU分配给线程。分到CPU的线程就能执行。

并行,是同一时刻,两个线程都在执行。并发,是同一时刻,只有一个执行,但是一个时间段内,两个线程都执行了。

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