深刻理解JAVA並行中的有序性問題和解決之道

問題

Java並行情況下總是會遇到各種意向不到的問題，比如下面的程式碼：

int num = 0;

boolean ready = false;
// 執行緒1 執行此方法
public void actor1(I_Result r) {
 if(ready) {
 	r.r1 = num + num;
 } else {
 	r.r1 = 1;
 }
}
// 執行緒2 執行此方法
public void actor2(I_Result r) { 
 num = 2;
 ready = true; 
}

• 執行緒1中如果發現ready=true,那麼r1的值等於num + num，否則等於1，然後將結果儲存到I_Result物件中
• 執行緒2中先修改num=2,然後設定ready=true

那大家覺得I_Result中的r1值可能是多少呢？

1. r1值等於4， 這個大家都能想到, CPU先執行了執行緒2，然後執行執行緒1
2. r1值等於1，這個也容易理解，CPU先執行了執行緒1，然後執行執行緒2
3. 那我如果說r1值有可能等於0，大家可能覺得離譜，不信的話，我們驗證下。

壓測驗證結果

由於並行問題出現的概率比較低，我們可以使用openjdk提供的jcstress框架進行壓測，就能夠出現各種可能的情況。

jcstress：全名The Java Concurrency Stress tests，是一個實驗工具和一套測試工具，用於幫助研究JVM、類庫和硬體中並行支援的正確性。詳細使用可以參考文章：https://www.cnblogs.com/wwjj4811/p/14310930.html

1. 生成壓測工程

mvn archetype:generate -DinteractiveMode=false -DarchetypeGroupId=org.openjdk.jcstress -DarchetypeArtifactId=jcstress-java-test-archetype -DarchetypeVersion=0.5 -DgroupId=com.alvin -DartifactId=juc-order -Dversion=1.0

生成的工程程式碼如下圖：

2. 填充測試內容

• 方法actor1是壓測第一個執行緒乾的活，將結果儲存到I_Result中。
• 方法actor2是壓測第二個執行緒乾的活
• 類前面的@Outcome註解用來展示驗證結果，特別是id="0"這個是我們感興趣的結果

3. 執行壓測工程

mvn clean install 
java -jar target/jcstress.jar

4. 檢視執行結果

執行結果如下圖所示：

• 有4000多次出現了0的結果
• 大部分情況的結果還是1和4

你是不是還是很困惑，其實這就是並行執行的一些坑，我們下面來解釋下原因。

原因分析

如果先要出現r1的值等於0，那麼有一個可能0+0=0，那麼也就是num=0。

你可能想num怎麼可能等於0，程式碼邏輯明明是先設定num=2,然後才修改ready=true, 最後才會走到num+num 的邏輯啊....

在並行的世界裡，我們千萬不要被固有的思維限制了，那是不是有可能num=2和ready=true的執行順序發生了變化呢。如果你想到這裡，也基本接近真相了。

原因： JAVA中在指令不存在依賴的情況下，會進行順序的調整，這種現象叫做指令重排序，是 JIT 編譯器在執行時的一些優化。這也是為什麼出現0的根本原因。

指令重排不會影響單執行緒執行的結果，但是在多執行緒的情況下，會有個可能出現問題。

理解指令重排序

前面提到出現問題的原因是因為指令重排序，你可能還是不大理解指令重排序究竟是什麼，以及它的作用，那我這邊用一個魚罐頭的故事帶大家理解下。

我們可以把工人當做CPU，魚當做指令，工人加工一條魚需要 50 分鐘，如果一條魚、一條魚順序加工，這樣是不是比較慢？

沒辦法得優化下，不然要喝西北風了，發現每個魚罐頭的加工流程有 5 個步驟：

• 去鱗清洗 10分鐘
• 蒸煮瀝水 10分鐘
• 加註湯料 10分鐘
• 殺菌出鍋 10分鐘
• 真空封罐 10分鐘

每個步驟中也是用到不同的工具，那能否可以並行呢？如下圖所示：

我們發現中間用很多步驟是並行做的，大大的提高了效率。但是在並行加工魚的過程中，就會出現順序的調整，比如先做第二條的魚的某個步驟，然後在做第一條魚的步驟。

現代 CPU 支援多級指令流水線，幾乎所有的馮•諾伊曼型計算機的 CPU，其工作都可以分為 5 個階段：取指令、指令譯碼、執行指令、訪存取數和結果寫回，可以稱之為五級指令流水線。CPU 可以在一個時鐘週期內，同時執行五條指令的不同階段（每個執行緒不同的階段），本質上流水線技術並不能縮短單條指令的執行時間，但變相地提高了指令地吞吐率。

處理器在進行重排序時，必須要考慮指令之間的資料依賴性

• 單執行緒環境也存在指令重排，由於存在依賴性，最終執行結果和程式碼順序的結果一致
• 多執行緒環境中執行緒交替執行，由於編譯器優化重排，會獲取其他執行緒處在不同階段的指令同時執行

volatile關鍵字

那麼對於上面的問題，如何解決呢？

使用volatile關鍵字。

volatile 的底層實現原理是記憶體屏障，Memory Barrier（Memory Fence）

• 對 volatile 變數的寫指令後會加入寫屏障
• 對 volatile 變數的讀指令前會加入讀屏障

記憶體屏障本質上是一個CPU指令，形象點理解就是一個柵欄，攔在那裡，無法跨越。

記憶體屏障分為寫屏障和讀屏障，有什麼有呢？

1. 保證可見性

• 寫屏障保證在該屏障之前的，對共用變數的改動，都同步到主記憶體當中
• 讀屏障保證在該屏障之後，對共用變數的讀取，載入的是主記憶體中最新資料

2. 保證有序性

• 寫屏障會確保指令重排序時，不會將寫屏障之前的程式碼排在寫屏障之後
• 讀屏障會確保指令重排序時，不會將讀屏障之後的程式碼排在讀屏障之前

回到前面的問題，如果對ready加了volatile以後，那麼num=2就無法到後面去了，同樣讀取也是，如上圖所示。

final底層也是通過記憶體屏障實現的，它與volatile一樣。

• 對final變數的寫指令加入寫屏障。也就是類初始化的賦值的時候會加上寫屏障。
• 對final變數的讀指令加入讀屏障。載入記憶體中final變數的最新值。

總結

JAVA並行中的有序性問題其實比較難理解，本文通過一個例子驗證了並行情況下會出現有序性的問題，從而引發意想不到的結果。這個主要的原因是為了提高效能，指令會發生重排序導致的。為了解決這樣的問題，我們可以使用volatile這個關鍵字修飾變數，它能夠保證有序性和可見性，但是無法保證原子性。如果以後遇到一些成員變數或者靜態變數就要特別注意了，需要分析並行情況下會有哪些問題。

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