2020年JAVA面试208题

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科技

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多线程原子性可见性和有序性的理解之一

说到多线程的原子性、可见性和有序性。这是多线程确保线程安全的三个标准。首先。咱说说。原子性。原子性其实很好理解。原子就是最小的单元，他就是可执行的最小的单元。在程序执行的时候，最小的一个可执行单元就是一个原子。一段原子性的代码执行的时候。不会被打断。这一段代码的执行，要么不执行，要么全部执行完毕。这段代码也许只有一行代码，也许是多行代码。一行代码很多也不是原子性的，因为这个原子性并非是我们Java程序代码的原子性，而是CPU执行阶段的原子性。并不是说代码少他就是原子性。也不是说代码多的就不是原子性。一行代码很多都不是原子性的，多行代码加上锁，也可以是原子性的。比如。定义一个整型int i = 10。这一行代码它就是原子性的，这里是给整形变量i赋值，这个就是原子性的，它不可能被打断。如果定义的一个长整型的 long j=10，这就不是原子性的，为什么呢？因为这个long类型啊，他是64位的，64位的长整型。在CPU中执行赋值操作的时候，它是分两步，分别64位的高位和低位进行赋值，这是分两步来完成的。类似的double也是这样子，double也是64位的，会分两步分别给高32位和低32位赋值，就是两步操作，不是原子性的。那么咱们来看另一个语句。int i=10； i++ ; 这个i=10我们刚刚说过了，是原子性的，那这个 i++是不是原子型的呢？直接说答案：i++不是原子型的。别看这么简单的一个计算，写程序就一行，但到了CPU级别就需要3条指令，1 获取i的值， 2 执行i+1 的操作，3 把i+1的结果赋值给i 。所以这个i++不是原子性的。这么简单的语句都不是原子性的，那么是不是对于多行代码就肯定不是原子性了呢？其实也不是，Java可以利用锁来保证多行语句是原子性的。从CPU的角度来看，就是插入一个Lock指令。当一段代码被Lock指令锁住后，一个线程执行这段代码的时候，其他线程就无法执行，只能等着这个线程执行完毕才能获得执行权。这就是保证这段代码的原子性。具体在Java代码里面写的时候就用synchronized 和lock对象，来实现一段代码，一个方法，一个对象的锁。这是对原子性的解释。那么可见性是什么呢？在Java的内存模型中，每一个子线程会拥有一个单独的工作内存，主线程有一个主内存。主内存中存放的是共享变量，虽说是共享变量，看起来是被主线程和子线程共享的，那么子线程就可以读写操作该共享变量了吧？其实不行的，子线程是不能直接读写操作主内存中的共享变量的。子线程会在工作内存中创建该共享变量的副本，然后读写操作该副本。这里再强调一下，子线程不能直接读写主内存的共享变量，只能读写工作内存中的共享变量的副本，读写完毕后再将副本的值回写到主内存中。这时候，我们就发现一个问题了，假设主线程中有共享变量 x = 10 , 有两个子线程 A和B，要操作共享变量x，就会分别在各自的工作内存中加载一份x的副本。这时候咱们看到了，原来只有一个x，现在变成了3份：主内存中的x和两个副本x。如果子线程A对副本x做了+1 操作，线程A中的x就变成 11 了，但线程B看到的x还是10，这就出现了可见性的问题。通过上面的描述，总结一下什么是线程的可见性问题：就是多线程情况下，一个线程修改了变量的值，另一个线程看不到这个变化。那怎么解决这个问题呢？思路是这样的，对于线程A来说，只要修改了x副本的值，马上把这个值回写到主内存中；对于线程B来说，只要想读x的值，就再次从主线程加载x，这样副本的值永远都与主内存中的值是一样的。这就可以解决可见性问题了。在具体实现上Java内存模型是通过内存屏障来实现的。那这里又引出一个内存屏障的概念，啥是内存屏障呢？内存屏障其实就是一个指令，将这个指令插入到其他指令之间，会执行某些特殊的操作。具体到解决可见性是两个内存屏障指令：load屏障和store屏障。 load和store这俩词儿之前讲内存模型的8个指令的时候见过，load指令是工作内存从主内存加载共享变量生成副本的指令，store指令是将工作内存的共享变量副本回写到主内存的指令。那么load屏障就呼之欲出了，这是在指令A前插入load屏障，那么指令A用到的变量副本将失效，必须从主内存加载对应的共享变量的值并替换当前副本；对应的store屏障插入到指令B之后，那么指令B修改的副本的值，马上会被回写到主内存。这个效果应该可以想象了吧？通过load屏障和store屏障，可以实现修改了副本马上回写到主内存，读副本之前先从主内存加载一下，这样就确保了，只要副本值修改了马上就更新到主内存里面，然后另一个线程读副本的时候直接装载主内存中的新值，这样就解决了多线程下变量的可见性。接下来讲解一下有序性。什么是有序性呢？这里的序是指什么的顺序呢？这里说的序是指CPU中指令执行的顺序，就是一条条的汇编指令的先后顺序。我们Java程序员写的是Java代码，写出来一行行的Java代码最后编译转为汇编在CPU中执行，这时候就是一条条的汇编指令了。一般程序员的理解是这样的，写了两行代码，行A在行B的前面，应该是先执行A再执行B，但其实CPU在指令执行的时候做了优化，如果指令A和指令B调换顺序后不影响执行结果，那么CPU会进行指令重排，重排后就是先执行指令B再执行指令A。这个原则叫做as if serial ，就是好像是连续的一样，也就是重排序优化后就好像没有重排序，而是正常连续执行的那样。比如： int i=10; int j=20; 这样的两条指令，先执行哪条其实是无所谓的，这时候CPU就会执行指令重排。对于单线程程序来说，CPU指令重排绝对不会有问题，但对于多线程指令重排就有可能产生数据安全问题。打个比喻：刘能和赵四去买冰糕，这个指令顺序是，推门进冷饮店，掏钱，拿冰糕。如果就刘能自己去买冰糕的话，先掏钱再拿冰糕还是先拿冰糕再掏钱，没什么关系，冷饮店老板照顾的过来。现在刘能和赵四俩人一起去，结果赵四掏钱了，还没拿冰糕，刘能先执行了拿冰糕，这下赵四不干了，我掏的钱，我掏的钱。老板说，没办法，人太多忙不过来，先后顺序调整一下，这样快，你别叫唤了。那赵四能干嘛？赵四大叫：不行啊，出现多线程的有序性问题了。那咋解决这个问题呢？还是下内存屏障。有序内存屏障是在两条指令之间插入的屏障，插入后，前后两条指令就不能重排序了。处理有序性的屏障有4个。 LoadLoad屏障：下在load和load之间，这个屏障指令之前的load指令和之后的load相关的指令不能重排序； LoadStore屏障：下在load和store之间，这个屏障指令之前的load指令和之后的store指令不能重排序； StoreLoad屏障：下在store和load之间，这个屏障指令之前的store指令和之后的load指令不能重排序； StoreStore屏障：下载store和store之间，这个屏障指令之前的store指令和之后的store指令不能重排序。说白了，这个有序性的内存屏障，就是禁止CPU对前后的指令进行重排序的，有了这个屏障，多线程下CPU也不能做重排序优化了，就解决了有序性的问题了。关于内存屏障的细节，我们今儿就不聊了，以后我们再细说。这个多线程的原子性、可见性和有序性是啥意思，你明白了吧？

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1 Java中有4中引用，强引用、软引用、弱引用、虚引用。强引用：普通new出来一个对象，都是强引用。软引用：SoftReference类，当内存不足的时候，会被回收。弱引用：WeakReference类，内存充足也会被垃圾回收。虚引用：最脆弱的引用，记录一个对象已经被回收了。 2 当某个对象只被弱引用的时候，Java的垃圾回收机制就会回收该对象。 3 我们知道一个对象定义出来，在堆内存中为其开辟空间，在栈中存储该对象的引用。比如定义一个Car a1 = new Car() ; 这时候在堆中开辟了一块空间存储Car的数据，而a1则存储在栈中，引用堆中的Car。 4 如果我们设置 a1 = null，那么堆中的Car空间就不被栈引用了，Java的垃圾回收就会回收这块内存。 5 如果我们设置 a1 = new Car() ; a2 = a1 ; a1 = null ；这时候虽然 a1 不引用堆中的Car，但a2 还引用着堆中的Car，那么堆中的Car空间是不会被回收的。 6 这时候就可以使用弱引用了。 a1 = new Car() ; a2 = new WeakReference(a1) ; a1 = null。这时候 a1 不再引用堆中的Car空间，a2 是一个弱引用，虽然引用着堆中的Car空间，由于堆中的Car空间只被弱引用，因此Java的垃圾回收就会回收该空间。

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小崔爱读书
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2021年 - 2022年
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