likes
comments
collection
share

图文详解：如何做到操作系统和并发同步的结合？

作者站长头像
站长
· 阅读数 10

图文详解：如何做到操作系统和并发同步的结合？

因为 i 是静态变量，没有经过任何线程安全措施的保护，多个线程会并发修改 i 的值，所以我们认为 i 不是线程安全的，导致这种结果的出现是由于 aThread 和 bThread 中读取的 i 值彼此不可见，所以这是由于 可见性 导致的线程安全问题。

原子性问题

看起来很普通的一段程序却因为两个线程 aThread 和 bThread 交替执行产生了不同的结果。但是根源不是因为创建了两个线程导致的，多线程只是产生线程安全性的必要条件，最终的根源出现在 i++ 这个操作上。

这个操作怎么了？这不就是一个给 i 递增的操作吗？也就是 i++ => i = i + 1，这怎么就会产生问题了？

因为 i++ 不是一个 原子性 操作，仔细想一下，i++ 其实有三个步骤，读取 i 的值，执行 i + 1 操作，然后把 i + 1 得出的值重新赋给 i（将结果写入内存）。

当两个线程开始运行后，每个线程都会把 i 的值读入到 CPU 缓存中，然后执行 + 1 操作，再把 + 1 之后的值写入内存。因为线程间都有各自的虚拟机栈和程序计数器，他们彼此之间没有数据交换，所以当 aThread 执行 + 1 操作后，会把数据写入到内存，同时 bThread 执行 + 1 操作后，也会把数据写入到内存，因为 CPU 时间片的执行周期是不确定的，所以会出现当 aThread 还没有把数据写入内存时，bThread 就会读取内存中的数据，然后执行 + 1操作，再写回内存，从而覆盖 i 的值，导致 aThread 所做的努力白费。

为什么上面的线程切换会出现问题呢？

我们先来考虑一下正常情况下（即不会出现线程安全性问题的情况下）两条线程的执行顺序

图文详解：如何做到操作系统和并发同步的结合？ 可以看到，当 aThread 在执行完整个 i++ 的操作后，操作系统对线程进行切换，由 aThread -> bThread，这是最理想的操作，一旦操作系统在任意 读取/增加/写入 阶段产生线程切换，都会产生线程安全问题。例如如下图所示

图文详解：如何做到操作系统和并发同步的结合？

最开始的时候，内存中 i = 0，aThread 读取内存中的值并把它读取到自己的寄存器中，执行 +1 操作，此时发生线程切换，bThread 开始执行，读取内存中的值并把它读取到自己的寄存器中，此时发生线程切换，线程切换至 aThread 开始运行，aThread 把自己寄存器的值写回到内存中，此时又发生线程切换，由 aThread -> bThread，线程 bThread 把自己寄存器的值 +1 然后写回内存，写完后内存中的值不是 2 ，而是 1， 内存中的 i 值被覆盖了。 我们上面提到 原子性 这个概念，那么什么是原子性呢？ 并发编程的原子性操作是完全独立于任何其他进程运行的操作，原子操作多用于现代操作系统和并行处理系统中。 原子操作通常在内核中使用，因为内核是操作系统的主要组件。但是，大多数计算机硬件，编译器和库也提供原子性操作。 在加载和存储中，计算机硬件对存储器字进行读取和写入。为了对值进行匹配、增加或者减小操作，一般通过原子操作进行。在原子操作期间，处理器可以在同一数据传输期间完成读取和写入。 这样，其他输入/输出机制或处理器无法执行存储器读取或写入任务，直到原子操作完成为止。 简单来讲，就是原子操作要么全部执行，要么全部不执行。数据库事务的原子性也是基于这个概念演进的。

有序性问题

在并发编程中还有带来让人非常头疼的 有序性问题，有序性顾名思义就是顺序性，在计算机中指的就是指令的先后执行顺序。一个非常显而易见的例子就是 JVM 中的类加载

图文详解：如何做到操作系统和并发同步的结合？

这是一个 JVM 加载类的过程图，也称为类的生命周期，类从加载到 JVM 到卸载一共会经历五个阶段 加载、连接、初始化、使用、卸载。这五个过程的执行顺序是一定的，但是在连接阶段，也会分为三个过程，即 验证、准备、解析 阶段，这三个阶段的执行顺序不是确定的，通常交叉进行，在一个阶段的执行过程中会激活另一个阶段。

有序性问题一般是编译器带来的，编译器有的时候确实是 好心办坏事，它为了优化系统性能，往往更换指令的执行顺序。

活跃性问题 多线程还会带来活跃性问题，如何定义活跃性问题呢？活跃性问题关注的是 某件事情是否会发生。

如果一组线程中的每个线程都在等待一个事件，而这个事件只能由该组中的另一个线程触发，这种情况会导致死锁。

简单一点来表述一下，就是每个线程都在等待其他线程释放资源，而其他资源也在等待每个线程释放资源，这样没有线程抢先释放自己的资源，这种情况会产生死锁，所有线程都会无限的等待下去。

换句话说，死锁线程集合中的每个线程都在等待另一个死锁线程占有的资源。但是由于所有线程都不能运行，它们之中任何一个资源都无法释放资源，所以没有一个线程可以被唤醒。

如果说死锁很痴情的话，那么活锁用一则成语来表示就是 弄巧成拙。

某些情况下，当线程意识到它不能获取所需要的下一个锁时，就会尝试礼貌的释放已经获得的锁，然后等待非常短的时间再次尝试获取。可以想像一下这个场景：当两个人在狭路相逢的时候，都想给对方让路，相同的步调会导致双方都无法前进。

现在假想有一对并行的线程用到了两个资源。它们分别尝试获取另一个锁失败后，两个线程都会释放自己持有的锁，再次进行尝试，这个过程会一直进行重复。很明显，这个过程中没有线程阻塞，但是线程仍然不会向下执行，这种状况我们称之为 活锁(livelock)。 如果我们期望的事情一直不会发生，就会产生活跃性问题，比如单线程中的无限循环

while(true){…}

for(;😉{}

在多线程中，比如 aThread 和 bThread 都需要某种资源，aThread 一直占用资源不释放，bThread 一直得不到执行，就会造成活跃性问题，bThread 线程会产生饥饿，我们后面会说。

性能问题 与活跃性问题密切相关的是 性能 问题，如果说活跃性问题关注的是最终的结果，那么性能问题关注的就是造成结果的过程，性能问题有很多方面：比如服务时间过长，吞吐率过低，资源消耗过高，在多线程中这样的问题同样存在。

在多线程中，有一个非常重要的性能因素那就是我们上面提到的 线程切换，也称为 上下文切换(Context Switch)，这种操作开销很大。

在计算机世界中，老外都喜欢用 context 上下文这个词，这个词涵盖的内容很多，包括上下文切换的资源，寄存器的状态、程序计数器等。context switch 一般指的就是这些上下文切换的资源、寄存器状态、程序计数器的变化等。

在上下文切换中，会保存和恢复上下文，丢失局部性，把大量的时间消耗在线程切换上而不是线程运行上。

为什么线程切换会开销如此之大呢？线程间的切换会涉及到以下几个步骤

图文详解：如何做到操作系统和并发同步的结合？

将 CPU 从一个线程切换到另一线程涉及挂起当前线程，保存其状态，例如寄存器，然后恢复到要切换的线程的状态，加载新的程序计数器，此时线程切换实际上就已经完成了；此时，CPU 不在执行线程切换代码，进而执行新的和线程关联的代码。

引起线程切换的几种方式 线程间的切换一般是操作系统层面需要考虑的问题，那么引起线程上下文切换有哪几种方式呢？或者说线程切换有哪几种诱因呢？主要有下面几种引起上下文切换的方式

当前正在执行的任务完成，系统的 CPU 正常调度下一个需要运行的线程 当前正在执行的任务遇到 I/O 等阻塞操作，线程调度器挂起此任务，继续调度下一个任务。 多个任务并发抢占锁资源，当前任务没有获得锁资源，被线程调度器挂起，继续调度下一个任务。 用户的代码挂起当前任务，比如线程执行 sleep 方法，让出CPU。 使用硬件中断的方式引起上下文切换 线程安全性 在 Java 中，要实现线程安全性，必须要正确的使用线程和锁，但是这些只是满足线程安全的一种方式，要编写正确无误的线程安全的代码，其核心就是对状态访问操作进行管理。最重要的就是最 共享(Shared)的 和 可变(Mutable)的状态。只有共享和可变的变量才会出现问题，私有变量不会出现问题，参考程序计数器。

对象的状态可以理解为存储在实例变量或者静态变量中的数据，共享意味着某个变量可以被多个线程同时访问、可变意味着变量在生命周期内会发生变化。一个变量是否是线程安全的，取决于它是否被多个线程访问。要使变量能够被安全访问，必须通过同步机制来对变量进行修饰。

如果不采用同步机制的话，那么就要避免多线程对共享变量的访问，主要有下面两种方式

不要在多线程之间共享变量 将共享变量置为不可变的 我们说了这么多次线程安全性，那么什么是线程安全性呢？ 什么是线程安全性 根据上面的探讨，我们可以得出一个简单的定义：当多个线程访问某个类时，这个类始终都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。

单线程就是一个线程数量为 1 的多线程，单线程一定是线程安全的。读取某个变量的值不会产生安全性问题，因为不管读取多少次，这个变量的值都不会被修改。

原子性 我们上面提到了原子性的概念，你可以把原子性操作想象成为一个不可分割 的整体，它的结果只有两种，要么全部执行，要么全部回滚。你可以把原子性认为是 婚姻关系 的一种，男人和女人只会产生两种结果，好好的 和 说散就散，一般男人的一生都可以把他看成是原子性的一种，当然我们不排除时间管理(线程切换)的个例，我们知道线程切换必然会伴随着安全性问题，男人要出去浪也会造成两种结果，这两种结果分别对应安全性的两个结果：线程安全（好好的）和线程不安全（说散就散）。

竞态条件 有了上面的线程切换的功底，那么竞态条件也就好定义了，它指的就是两个或多个线程同时对一共享数据进行修改，从而影响程序运行的正确性时，这种就被称为竞态条件(race condition) ，线程切换是导致竞态条件出现的诱导因素，我们通过一个示例来说明，来看一段代码

public class RaceCondition {

private Signleton single = null;
public Signleton newSingleton(){
if(single == null){
single = new Signleton();
}
return single;
}

}

在上面的代码中，涉及到一个竞态条件，那就是判断 single 的时候，如果 single 判断为空，此时发生了线程切换，另外一个线程执行，判断 single 的时候，也是空，执行 new 操作，然后线程切换回之前的线程，再执行 new 操作，那么内存中就会有两个 Singleton 对象。

加锁机制 在 Java 中，有很多种方式来对共享和可变的资源进行加锁和保护。Java 提供一种内置的机制对资源进行保护：synchronized 关键字，它有三种保护机制

对方法进行加锁，确保多个线程中只有一个线程执行方法； 对某个对象实例（在我们上面的探讨中，变量可以使用对象来替换）进行加锁，确保多个线程中只有一个线程对对象实例进行访问； 对类对象进行加锁，确保多个线程只有一个线程能够访问类中的资源。 synchronized 关键字对资源进行保护的代码块俗称 同步代码块(Synchronized Block)，例如

synchronized(lock){ // 线程安全的代码 }

每个 Java 对象都可以用做一个实现同步的锁，这些锁被称为 内置锁(Instrinsic Lock)或者 监视器锁(Monitor Lock)。线程在进入同步代码之前会自动获得锁，并且在退出同步代码时自动释放锁，而无论是通过正常执行路径退出还是通过异常路径退出，获得内置锁的唯一途径就是进入这个由锁保护的同步代码块或方法。 synchronized 的另一种隐含的语义就是 互斥，互斥意味着独占，最多只有一个线程持有锁，当线程 A 尝试获得一个由线程 B 持有的锁时，线程 A 必须等待或者阻塞，直到线程 B 释放这个锁，如果线程 B 不释放锁的话，那么线程 A 将会一直等待下去。

线程 A 获得线程 B 持有的锁时，线程 A 必须等待或者阻塞，但是获取锁的线程 B 可以重入，重入的意思可以用一段代码表示

public class Retreent {

public synchronized void doSomething(){
doSomethingElse();
System.out.println(“doSomething…”);
}

public synchronized void doSomethingElse(){
System.out.println(“doSomethingElse…”);
}

获取 doSomething() 方法锁的线程可以执行 doSomethingElse() 方法，执行完毕后可以重新执行 doSomething() 方法中的内容。锁重入也支持子类和父类之间的重入，具体的我们后面会进行介绍。

volatile 是一种轻量级的 synchronized，也就是一种轻量级的加锁方式，volatile 通过保证共享变量的可见性来从侧面对对象进行加锁。可见性的意思就是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能够 看见 这个修改的值。volatile 的执行成本要比 synchronized 低很多，因为 volatile 不会引起线程的上下文切换。

图文详解：如何做到操作系统和并发同步的结合？