java并发编程之原子性问题

程序是否线程安全,取决于哪些要素呢,主要是以下三个:

原子性,

可见性,

有序性。

今天先一起来学习原子性。

原子性:

我理解一个操作不可再分,即为原子性。而在并发编程的环境中,原子性的含义就是只要该线程开始执行这一系列操作,要么全部执行,要么全部未执行,不允许存在执行一半的情况。

老生常谈的银行转账情况用于理解(仅限于理解,真实的银行转账没这么简单):

A账户向B账户转钱,A账户转出1万元,银行就必须保证B账户收到1万元,即使有问题,也必须保证是A账户转出失败,钱还在A账户。不然A账户转了,B账户却没收到,银行的操作就不是原子性的,客户的利益受到损失。

谈及原子性问题,需要先了解Java内存模型的基本情况:

为了执行效率,java的内存被划分为工作内存与主内存(可类比为计算机的高速缓存与内存),如下图所示:

线程与工作内存和主内存

工作内存中,放着线程使用的主内存的拷贝。线程对变量的操作必须通过工作内存进行,而不能直接访问主内存,工作内存直接相互独立。

内存模型中,还定义了八种原子的操作指令,供程序使用,如下所示:

-----内容参考:《深入理解java虚拟机》----begin

lock(锁定):作用于主内存,它把一个变量标记为一条线程独占状态;

read(读取):作用于主内存,它把变量值从主内存传送到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用;

load(载入):作用于工作内存,它把read操作的值放入工作内存中的变量副本中;

use(使用):作用于工作内存,它把工作内存中的值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时候,将会执行这个动作;

assign(赋值):作用于工作内存,它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时候,执行该操作;

store(存储):作用于工作内存,它把工作内存中的一个变量传送给主内存中,以备随后的write操作使用;

write(写入):作用于主内存,它把store传送值放到主内存中的变量中。

unlock(解锁):作用于主内存,它将一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才能够被其他线程锁定;

Java内存模型还规定了执行上述8种基本操作时必须满足如下规则:

1、不允许read和load、store和write操作之一单独出现(即不允许一个变量从主存读取了但是工作内存不接受,或者从工作内存发起会写了但是主存不接受的情况),以上两个操作必须按顺序执行,但没有保证必须连续执行,也就是说,read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的。

2、不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作,即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。

3、不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从线程的工作内存同步回主内存中。

4、一个新的变量只能从主内存中“诞生”,不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load或assign)的变量,换句话说就是对一个变量实施use和store操作之前,必须先执行过了assign和load操作。

5、一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其执行lock操作,但lock操作可以被同一个条线程重复执行多次,多次执行lock后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。

6、如果对一个变量执行lock操作,将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前,需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。

7、如果一个变量实现没有被lock操作锁定,则不允许对它执行unlock操作,也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。

8、对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存(执行store和write操作)。

-----内容参考:《深入理解java虚拟机》----end

因此我们写了一个程序,就很容易判断是否是具备原子性的,如下所示:

int x = 10; //语句1

long y=100;//语句2

int z = x; //语句3

x++; //语句4

z = z + 1; //语句5

volatile int a=0;

a=x;//语句6

语句1:只执行了assign语句,将10赋给工作内存中的x,原子的。

语句2:由于long类型为64位的,java可能会出现写两次32位数据到工作内存的情况,导致操作是非原子的(几乎所有虚拟机都对这种操作进行了封装,使其变为和原子操作)

语句3:use获取x的值,再assign赋值给z,非原子的。

语句4:user获取x的值,加1,在assign赋值给x,非原子的。

语句5:user获取z的值,加1,在assign赋值给z,非原子的。

语句6:use获取x的值,assign赋值给a,并且马上store将a的新值存储到主内存中,并将其他工作线程中的a值失效,非原子的。 如果其他线程要获取a的值,需要对应的工作内存重新从主内存中获取(volatile的可见性原理)。

  • 发表于:
  • 原文链接https://kuaibao.qq.com/s/20200107A049WJ00?refer=cp_1026
  • 腾讯「云+社区」是腾讯内容开放平台帐号(企鹅号)传播渠道之一,根据《腾讯内容开放平台服务协议》转载发布内容。
  • 如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券