利用博客做网站排名,北京建筑设计公司前十名,网站建站 宝,做网站哪个软件好说到一致性#xff0c;其实在系统的很多地方都存在数据一致性的相关问题。除了在并发编程中保证共享变量数据的一致性之外#xff0c;还有数据库的 ACID 中的 C#xff08;Consistency 一致性#xff09;、分布式系统的 CAP 理论中的 C#xff08;Consistency 一致性…说到一致性其实在系统的很多地方都存在数据一致性的相关问题。除了在并发编程中保证共享变量数据的一致性之外还有数据库的 ACID 中的 CConsistency 一致性、分布式系统的 CAP 理论中的 CConsistency 一致性。下面我们主要讨论的就是“并发编程中共享变量的一致性”。
在并发编程中Java 是通过共享内存来实现共享变量操作的所以在多线程编程中就会涉及到数据一致性的问题。
我先通过一个经典的案例来说明下多线程操作共享变量可能出现的问题假设我们有两个线程线程 1 和线程 2分别执行下面的方法x 是共享变量
// 代码 1
public class Example {int x 0;public void count() {x; //1System.out.println(x)//2}
}如果两个线程同时运行两个线程的变量的值可能会出现以下三种结果 1、Java 存储模型
2,1 和 1,2 的结果我们很好理解那为什么会出现以上 1,1 的结果呢
我们知道Java 采用共享内存模型来实现多线程之间的信息交换和数据同步。在解释为什么会出现这样的结果之前我们先通过下图来简单了解下 Java 的内存模型第 21 讲还会详解程序在运行时局部变量将会存放在虚拟机栈中而共享变量将会被保存在堆内存中。 由于局部变量是跟随线程的创建而创建线程的销毁而销毁所以存放在栈中由上图我们可知Java 栈数据不是所有线程共享的所以不需要关心其数据的一致性。
共享变量存储在堆内存或方法区中由上图可知堆内存和方法区的数据是线程共享的。而堆内存中的共享变量在被不同线程操作时会被加载到自己的工作内存中也就是 CPU 中的高速缓存。
CPU 缓存可以分为一级缓存L1、二级缓存L2和三级缓存L3每一级缓存中所储存的全部数据都是下一级缓存的一部分。当 CPU 要读取一个缓存数据时首先会从一级缓存中查找如果没有找到再从二级缓存中查找如果还是没有找到就从三级缓存或内存中查找。
如果是单核 CPU 运行多线程多个线程同时访问进程中的共享数据CPU 将共享变量加载到高速缓存后不同线程在访问缓存数据的时候都会映射到相同的缓存位置这样即使发生线程的切换缓存仍然不会失效。
如果是多核 CPU 运行多线程每个核都有一个 L1 缓存如果多个线程运行在不同的内核上访问共享变量时每个内核的 L1 缓存将会缓存一份共享变量。
假设线程 A 操作 CPU 从堆内存中获取一个缓存数据此时堆内存中的缓存数据值为 0该缓存数据会被加载到 L1 缓存中在操作后缓存数据的值变为 1然后刷新到堆内存中。
在正好刷新到堆内存中之前又有另外一个线程 B 将堆内存中为 0 的缓存数据加载到了另外一个内核的 L1 缓存中此时线程 A 将堆内存中的数据刷新到了 1而线程 B 实际拿到的缓存数据的值为 0。
此时内核缓存中的数据和堆内存中的数据就不一致了且线程 B 在刷新缓存到堆内存中的时候也将覆盖线程 A 中修改的数据。这时就产生了数据不一致的问题。 了解完内存模型之后结合以上解释我们就可以回过头来看看第一段代码中的运行结果是如何产生的了。看到这里相信你可以理解图中 1,1 的运行结果了。 2、重排序
除此之外在 Java 内存模型中还存在重排序的问题。请看以下代码
// 代码 1
public class Example {int x 0;boolean flag false;public void writer() {x 1; //1flag true; //2}public void reader() {if (flag) { //3int r1 x; //4System.out.println(r1x)}}
}如果两个线程同时运行线程 2 中的变量的值可能会出现以下两种可能 现在一起来看看 r11 的运行结果如下图所示 那 r10 又是怎么获取的呢我们再来看一个时序图 在不影响运算结果的前提下编译器有可能会改变顺序代码的指令执行顺序特别是在一些可以优化的场景。
例如在以下案例中编译器为了尽可能地减少寄存器的读取、存储次数会充分复用寄存器的存储值。如果没有进行重排序优化正常的执行顺序是步骤 1\2\3而在编译期间进行了重排序优化之后执行的步骤有可能就变成了步骤 1/3/2 或者 2/1/3这样就能减少一次寄存器的存取次数。
int x 1;// 步骤 1加载 x 变量的内存地址到寄存器中加载 1 到寄存器中CPU 通过 mov 指令把 1 写入到寄存器指定的内存中
boolean flag true; // 步骤 2 加载 flag 变量的内存地址到寄存器中加载 true 到寄存器中CPU 通过 mov 指令把 1 写入到寄存器指定的内存中
int y x 1;// 步骤 3 重新加载 a 变量的内存地址到寄存器中加载 1 到寄存器中CPU 通过 mov 指令把 1 写入到寄存器指定的内存中在 JVM 中重排序是十分重要的一环特别是在并发编程中。可 JVM 要是能对它们进行任意排序的话也可能会给并发编程带来一系列的问题其中就包括了一致性的问题。
3、Happens-before 规则
为了解决这个问题Java 提出了 Happens-before 规则来规范线程的执行顺序
程序次序规则在单线程中代码的执行是有序的虽然可能会存在运行指令的重排序但最终执行的结果和顺序执行的结果是一致的锁定规则一个锁处于被一个线程锁定占用状态那么只有当这个线程释放锁之后其它线程才能再次获取锁操作volatile 变量规则如果一个线程正在写 volatile 变量其它线程读取该变量会发生在写入之后线程启动规则Thread 对象的 start() 方法先行发生于此线程的其它每一个动作线程终结规则线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测对象终结规则一个对象的初始化完成先行发生于它的 finalize() 方法的开始传递性如果操作 A happens-before 操作 B操作 B happens-before 操作 C那么操作 A happens-before 操作 C线程中断规则对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生。
结合这些规则我们可以将一致性分为以下几个级别
严格一致性强一致性所有的读写操作都按照全局时钟下的顺序执行且任何时刻线程读取到的缓存数据都是一样的Hashtable 就是严格一致性 顺序一致性多个线程的整体执行可能是无序的但对于单个线程而言执行是有序的要保证任何一次读都能读到最近一次写入的数据volatile 可以阻止指令重排序所以修饰的变量的程序属于顺序一致性 弱一致性不能保证任何一次读都能读到最近一次写入的数据但能保证最终可以读到写入的数据单个写锁 无锁读就是弱一致性的一种实现。
