Java性能 -- 并发一致性

背景

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
    }
}

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

Java内存模型

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
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
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
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

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
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
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
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
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
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
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
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