Java的並發編程中的多線程問題到底是怎麼回事兒？

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在我之前的一篇《再有人問你Java記憶體模型是什麼，就把這篇文章發給他。》文章中，介紹了Java記憶體模型，通過這篇文章，大家應該都知道了Java記憶體模型的概念以及作用，這篇文章中談到，在Java並發編程中，通常會遇到三個問題，即原子性問題、一致性問題和有序性問題。

上面一篇文章簡單介紹了一下，由於各種原因會導致多線程情境下可能存在原子性、一致性和有序性問題。但是並沒有深入，這篇文章就來在之前的基礎上，再來看一下，並發編程中，這些問題都是哪來的？

首先，我們還是從作業系統開始，先來瞭解一些基礎知識。

CPU時間片

很多人都知道，現在我們用到作業系統，無論是Windows、Linux還是MacOS等其實都是多使用者多任務分時作業系統。使用這些作業系統的“使用者”是可以“同時”幹多件事的，這已經是日常習慣了，並沒覺得有什麼特別。

但是實際上，對於單CPU的電腦來說，在CPU中，同一時間是只能幹一件事兒的。

為了看起來像是“同時幹多件事”，分時作業系統是把CPU的時間劃分成長短基本相同的時間區間,即”時間片”，通過作業系統的管理，把這些時間片依次輪流地分配給各個“使用者”使用。

如果某個“使用者”在時間片結束之前，整個任務還沒有完成，“使用者”就必須進入到就緒狀態，放棄CPU，等待下一輪迴圈。此時CPU又分配給另一個“使用者”去使用。

 

 

不同的作業系統，在選擇“使用者”分配時間片的調度演算法是不一樣的，常用的有FCFS、輪轉、SPN、SRT、HRRN、反饋等，由於不是本文重點，就不展開了。

 

 

進程與線程

前面介紹CPU時間片的時候提到了CPU會根據不同的調度演算法把時間片分配給“使用者”，這裡的“使用者”在以前指的是進程，隨著作業系統的不斷髮展，現在一般指線程。

在過去沒有線程的作業系統中，資源的分配和執行都是由進程完成的。隨著技術的發展，為了減少由於進程切換帶來的開銷，提升並發能力，作業系統中引入線程。把原本屬於進程的工作一分為二，進程還是負責資源的分配，而線程負責執行。

也就是說，進程是資源分派的基本單位，而線程是調度的基本單位。

多線程中的並發問題

瞭解了以上的和硬體及作業系統有關的基礎知識以後，我們再來看下，在多線程情境中有哪些並發問題。

關於並發編程中的原子性、可見度和有序性問題我在《記憶體模型》一文介紹過。

文中提到：緩衝一致性問題其實就是可見度問題。而處理器最佳化是可以導致原子性問題的。指令重排即會導致有序性問題。有部分讀者對這部分不是很理解。由於上一篇文章主要介紹記憶體模型，並沒有展開分析，只是給了個結論，這裡再針對這部分深入分析一下。

由於緩衝一致性問題導致可見度問題，在《記憶體模型》中介紹的很清晰了，這裡就不贅述了，主要結合本文來分析下原子性問題和有序性問題。

原子性問題

我們說原子性問題，其實指的是多線程情境中操作如果不能保證原子性，會導致處理結果和預期不一致。

前面我們提到過，線程是CPU調度的基本單位。CPU有時間片的概念，會根據不同的調度演算法進行線程調度。所以在多線程情境下，就會發生原子性問題。因為線程在執行一個讀改寫操作時，在執行完讀改之後，時間片耗完，就會被要求放棄CPU，並等待重新調度。這種情況下，讀改寫就不是一個原子操作。

 

 

在單線程中，一個讀改寫就算不是原子操作也沒關係，因為只要這個線程再次被調度，這個操作總是可以執行完的。但是在多線程情境中可能就有問題了。因為多個線程可能會對同一個共用資源進行操作。

比如經典的 i++ 操作，對於一個簡單的i++操作，一共有三個步驟：load , add,save 。共用變數就會被多個線程同時進行操作，這樣讀改寫操作就不是原子的，操作完之後共用變數的值會和期望的不一致，舉個例子：如果i=1,我們進行兩次i++操作，我們期望的結果是3，但是有可能結果是2。

 

有序性問題

而且，我們知道，除了引入了時間片以外，由於處理器最佳化和指令重排等，CPU還可能對輸入代碼進行亂序執行，比如load->add->save 有可能被最佳化成load->save->add 。這就是有序性問題。

 

 

還是剛剛的i++操作，在滿足了原子性的情況下，如果沒有滿足有序性，那麼得到的結果可能也不是我們想要的。

  

總結

本文主要介紹了並發編程中會導致原子性和有序性問題的原因，關於可見度請參考《記憶體模型》。關於這三種問題的解決方案在《記憶體模型》也有介紹，更多的可以參考多線程相關書籍。

Java的並發編程中的多線程問題到底是怎麼回事兒？