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阿里一道Java并发面试题 (详细分析篇)

说明

前天分享了一篇关于阿里的“Java常见疑惑和陷阱”的文章,有人说这个很早就有了,可能我才注意到,看完之后发现内容非常不错,有几个我也是需要停顿下想想,如果后续有机会我录制一个视频把这个ppt里面的所有内容,根据我的理解和知道的给大家分享一遍。

如果你之前还没有看过建议好好看一遍:Java常见疑惑和陷阱,如果你需要获取完整ppt,可以在公号对话框回复: “PPT” 即可获取完整文件,只要你发现你看到里面知识点的时候,你需要思考一会,那么就表示你还不太熟悉,你应该去补补相关的基础知识了。

题目

我个人一直认为: 网络、并发相关的知识,相对其他一些编程知识点更难一些,主要是不好调试并且涉及内容太多 !

所以今天就取一篇并发相关的内容分享下,我相信大家认真看完会有收获的。

大家可以先看看这个问题,看看这个是否有问题呢? 那里有问题呢?

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如果你在这个问题上面停留超过5s的话,那么表示你对这块某些知识还有点模糊,需要再巩固下,下面我们一起来分析下!

结论

多线程并发的同时进行set、get操作,A线程调用set方法,B线程并不一定能对这个改变可见!!!

分析

这个类非常简单,里面有一个属性,有2个方法:get、set方法,一个用来设置属性值,一个用来获取属性值,在设置属性方法上面加了synchronized。

隐式信息: 多线程并发的同时进行set、get操作,A线程调用set方法,B线程可以里面感知到吗???

说到这里,问题就变成了synchronized在刚刚说的上下文下面能否保证可见性!!!

关键词synchronized的用法

  • 指定加锁对象:对给定对象加锁,进入同步代码前需要获得给定对象的锁。
  • 直接作用于实例方法:相当于对当前实例加锁,进入同步代码前要获得当前实例的锁。
  • 直接作用于静态方法:相当于对当前类加锁,进入同步代码前要获得当前类的锁。

synchronized它的工作就是对需要同步的代码加锁,使得每一次只有一个线程可以进入同步块(其实是一种悲观策略)从而保证线程之间得安全性。

从这里我们可以知道,我们需要分析的属于第二类情况,也就是说多个线程如果同时进行set方法的时候,由于存在锁,所以会一个一个进行set操作,并且是线程安全的,但是get方法并没有加锁,表示假如A线程在进行set的同时B线程可以进行get操作。并且可以多个线程同时进行get操作,但是同一时间最多只能有一个set操作。

Java 内存模型 happens-before原则

JSR-133 内存模型使用 happens-before 的概念来阐述操作之间的内存可见性。在 JMM 中,如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见,那么这两个操作之间必须要存在 happens-before 关系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内,也可以是在不同线程之间。

与程序员密切相关的 happens-before 规则如下:

  • 程序顺序规则:一个线程中的每个操作,happens-before 于该线程中的任意后续操作。
  • 监视器锁规则:对一个监视器的解锁,happens-before 于随后对这个监视器的加锁。
  • volatile 变量规则:对一个 volatile 域的写,happens-before 于任意后续对这个 volatile 域的读。
  • 传递性:如果 A happens-before B,且 B happens-before C,那么 A happens-before C。

注意,两个操作之间具有 happens-before 关系,并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行!happens-before 仅仅要求前一个操作(执行的结果)对后一个操作可见,且前一个操作按顺序排在第二个操作之前(the first is visible to and ordered before the second)。

其中有监视器锁规则:对一个监视器的解锁,happens-before 于随后对这个监视器的加锁。 这一条,仅仅只是针对synchronized的set方法,而对于get并没有这方面的说明。

其实在这种上下文下面一个synchronized的set方法,一个普通的get方法,a线程调用set方法,b线程并不一定能对这个改变可见!

更多Java内存模型内存欢迎查看:深入理解 Java 内存模型,写的非常详细,建议多读几遍!!!

volatile

volatile可见性

前面happens-before原则就提到:volatile 变量规则:对一个 volatile 域的写,happens-before 于任意后续对这个 volatile 域的读。 volatile从而保证了多线程下的可见性!!!

volatile 禁止内存重排序

下面是 JMM 针对编译器制定的 volatile 重排序规则表:

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为了实现 volatile 的内存语义,编译器在生成字节码时,会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

下面是基于保守策略的 JMM 内存屏障插入策略:

  • 在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障。
  • 在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障。
  • 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障。
  • 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障。

下面是保守策略下,volatile 写操作 插入内存屏障后生成的指令序列示意图:

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下面是在保守策略下,volatile 读操作 插入内存屏障后生成的指令序列示意图:

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上述 volatile 写操作和 volatile 读操作的内存屏障插入策略非常保守。在实际执行时,只要不改变 volatile 写-读的内存语义,编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。

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双重检查锁实现单例中就需要用到这个特性!!!

模拟

通过上面的分析,其实这个题目涉及到的内容都提到了,并且进行了解答。

虽然你知道的原因,但是想模拟并不是一件容易的事情!,下面我们来模拟看看效果:

public class ThreadSafeCache {
    int result;

    public int getResult() {
        return result;
    }

    public synchronized void setResult(int result) {
        this.result = result;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ThreadSafeCache threadSafeCache = new ThreadSafeCache();

        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            new Thread(() -> {
                int x = 0;
                while (threadSafeCache.getResult() < 100) {
                    x++;
                }
                System.out.println(x);
            }).start();
        }

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        threadSafeCache.setResult(200);
    }
}
复制代码

效果:

image

程序会一直卡在这边不动,表示set修改的200,get方法并不可见!!!

添加volatile 关键词观察效果

其实例子中synchronized关键字可以去掉,仅仅用volatile即可。

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效果:

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代码很快正常结束了!

结论: 多线程并发的同时进行set、get操作,A线程调用set方法,B线程并不一定能对这个改变可见!!!,上面的代码中,如果对get方法也加synchronized也是可见的,还是happens-before的监视器锁规则:对一个监视器的解锁,happens-before 于随后对这个监视器的加锁。,只是volatile比synchronized更轻量级,所以本例直接用volatile。但是对于符合非原子操作i++这里还是不行的还是需要synchronized。

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建议好好看看Java常见疑惑和陷阱,里面有很多很优秀的东西,如果你需要获取完整ppt,可以在公号对话框回复: “PPT” 即可获取完整文件!


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