Java性能 -- 并发一致性

在并发编程中，Java是通过 共享内存 来实现共享变量操作的，所以在多线程编程中会涉及到 数据一致性 的问题

public class Example {
    int x = 0;
    public void count() {
        x++;                    // 1
        System.out.println(x)   // 2
    }
}

1. 有两个线程分别执行count方法，x是共享变量
2. 可能出现3种结果： <1,1> ， <2,1> ， <1,2>

Java内存模型

1. Java采用 共享内存 模型来实现多线程之间的信息交换和数据同步
2. 程序运行时， 局部变量 将会存放在 虚拟机栈 中，而 共享变量 将会被保存在 堆内存 中
3. 由于局部变量随线程的创建而创建，线程的销毁而销毁，Java栈数据并非线程共享，所以不需要关心数据的一致性
4. 共享变量存储在 堆内存 或 方法区 中，堆内存和方法区的数据是 线程共享 的
   • 堆内存中的共享变量在 被不同线程操作 时，会被 加载到线程的工作内存 中，即 CPU中的高速缓存
   • CPU缓存可以分为L1缓存、L2缓存和L3缓存，每一级缓存中所存储的 全部数据 都是下一级缓存的 一部分
   • 当CPU要 读取 一个缓存数据时，会依次从 L1缓存、L2缓存、L3缓存、内存 中查找
   • 如果是 单核CPU 运行多线程，多个线程同时访问进程中的共享数据，CPU将共享变量加载到高速缓存后
     • 不同线程在访问缓存数据时，都会 映射到相同的缓存位置 ，即使发生 线程切换 ， 缓存仍然有效
   • 如果是 多核CPU 运行多线程， 每个核都有一个L1缓存
     • 如果多个线程运行在不同的内核上访问共享变量时，每个内核的L1缓存都将会缓存一份共享变量
     • 假设线程A操作CPU从堆内存中获取一个缓存数据
       • 此时堆内存中的缓存数据值为0，该缓存数据会被加载到L1缓存中
       • 操作后，缓存数据的值变为了1，然后刷新到堆内存中
     • 在正好刷新到堆内存之前，另一个线程B将堆内存中为0的缓存数据加载到另一个内核的L1缓存中
       • 此时线程A将堆内存的数据刷新为1，而线程B实际拿到的缓存数据值为0
       • 此时， 内核缓存中的数据 和 堆内存的数据 就不一致了

重排序

在 不影响运算结果 的前提下，编译器可能会 改变顺序代码的指令顺序

public class Example {
    int x = 0;
    boolean flag = false;
    // 线程1调用
    public void writer() {
        // 1和2可能会被重排序
        x = 1;                // 1
        flag = true;          // 2
    }
    // 线程2调用
    public void reader() {
        if (flag) {           // 3
             int r1 = x;      // 4
             System.out.println(r1==x)
        }
    }
    // 线程1和线程2并发执行，线程2中的变量值可能出现两种情况：r1=0或r1=1
}

Happens-before 规则

1. 程序次序规则
   • 在单线程中，代码的执行是有序的，虽然可能会存在指令重排序，但最终执行的结果和顺序执行的结果是一致的
2. 锁定规则
   • 一个锁处于被线程锁定占用状态，只有当这个线程释放锁之后，其他线程才能再次获取锁
3. volatile变量规则
   • 如果一个线程正在写volatile变量，其他线程读取该变量会发生在写入之后
4. 线程启动规则
   • Thread对象的 start()方法 先行发生于此线程的 其它每一个动作
5. 线程终止规则
   • 线程中的所有操作 都先行发生于 对此线程的中止检测
6. 对象终结规则
   • 一个对象的 初始化完成 先行发生于该对象 finalize()方法的开始
7. 线程中断规则
   • 对线程interrupt()方法的调用 先行发生于 被中断线程的代码检测到中断事件的发生
8. 传递性
   • 如果操作A happens-before 操作B，操作B happens-before 操作C，那么操作A happens-before 操作C

一致性等级

强一致性 - 全局锁

所有读写操作都按全局时钟下的顺序执行，任何时刻线程读取到的缓存数据都是一样的， Hashtable 就是强一致性

顺序一致性 - volatile

1. 多个线程的整体执行可能是无序的，但对于 单个线程 而言执行是 有序 的
2. 要保证任何一次读都能读到最近一次写的数据， volatile 可以阻止指令重排序

弱一致性 - 读写锁

不能保证任何一次读都能读到最近一次写入的数据，但能保证 最终 可以读到写入的数据， 读写锁 就是弱一致性