编程语言诡异并发三大恶人之有序性

上一节阿粉我和大家一起打到了并发中的恶人可见性和原子性，这一节我们继续讨伐三恶之一的有序性。

序、有序性的阐述

有序性为什么要探讨?因为 Java 是面向对象编程的，关注的只是最终结果，很少去研究其具体执行过程?正如上一篇文章在介绍可见性时描述的一样，操作系统为了提升性能，将 Java 语言转换成机器语言的时候，吩咐编译器对语句的执行顺序进行了一定的修改，以促使系统性能达到最优。所以在很多情况下，访问一个程序变量(对象实例字段，类静态字段和数组元素)可能会使用不同的顺序执行，而不是程序语义所指定的顺序执行。

正如大家所熟知那样，java语言是运行在 Java 自带的 JVM(Java Virtual Machine) 环境中，在JVM环境中源代码(.class)的执行顺序与程序的执行顺序(runtime)不一致，或者程序执行顺序与编译器执行顺序不一致的情况下，我们就称程序执行过程中发生了重排序。

而编译器的这种修改是自以为能保证最终运行结果!因为在单核时代完全没问题;但是随着多核时代的到来，多线程的环境下，这种优化碰上线程切换就大大的增加了事故的出现几率!

好心办了坏事!

也就是说，有序性 指的是在代码顺序结构中，我们可以直观的指定代码的执行顺序, 即从上到下按序执行。但编译器和CPU处理器会根据自己的决策，对代码的执行顺序进行重新排序。优化指令的执行顺序，提升程序的性能和执行速度，使语句执行顺序发生改变，出现重排序，但最终结果看起来没什么变化(单核)。

有序性问题 指的是在多线程环境下(多核)，由于执行语句重排序后，重排序的这一部分没有一起执行完，就切换到了其它线程，导致的结果与预期不符的问题。这就是编译器的编译优化给并发编程带来的程序有序性问题。

用图示就是：

阿粉小结：编译优化最终导致了有序性问题。

一、导致有序性的原因：

如果一个线程写入值到字段 a，然后写入值到字段 b ，而且b的值不依赖于 a 的值，那么，处理器就能够自由的调整它们的执行顺序，而且缓冲区能够在 a 之前刷新b的值到主内存。此时就可能会出现有序性问题。

例子：

1. 1import java.time.LocalDateTime; 
2.  2 
3.  3/** 
4.  4 * @author ：mmzsblog 
5.  5 * @description：并发中的有序性问题 
6.  6 * @date ：2020年2月26日 15:22:05 
7.  7 */ 
8.  8public class OrderlyDemo { 
9.  9 
10. 10    static int value = 1; 
11. 11    private static boolean flag = false; 
12. 12 
13. 13    public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
14. 14        for (int i = 0; i < 199; i++) { 
15. 15            value = 1; 
16. 16            flag = false; 
17. 17            Thread thread1 = new DisplayThread(); 
18. 18            Thread thread2 = new CountThread(); 
19. 19            thread1.start(); 
20. 20            thread2.start(); 
21. 21            System.out.println("========================================================="); 
22. 22            Thread.sleep(6000); 
23. 23        } 
24. 24    } 
25. 25 
26. 26    static class DisplayThread extends Thread { 
27. 27        @Override 
28. 28        public void run() { 
29. 29            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " DisplayThread begin, time:" + LocalDateTime.now()); 
30. 30            value = 1024; 
31. 31            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " change flag, time:" + LocalDateTime.now()); 
32. 32            flag = true; 
33. 33            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " DisplayThread end, time:" + LocalDateTime.now()); 
34. 34        } 
35. 35    } 
36. 36 
37. 37    static class CountThread extends Thread { 
38. 38        @Override 
39. 39        public void run() { 
40. 40            if (flag) { 
41. 41                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value的值是：" + value + ", time:" + LocalDateTime.now()); 
42. 42                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " CountThread flag is true,  time:" + LocalDateTime.now()); 
43. 43            } else { 
44. 44                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " value的值是：" + value + ", time:" + LocalDateTime.now()); 
45. 45                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " CountThread flag is false, time:" + LocalDateTime.now()); 
46. 46            } 
47. 47        } 
48. 48    } 
49. 49} 

运行结果：

从打印的可以看出：在 DisplayThread 线程执行的时候肯定是发生了重排序，导致先为 flag 赋值，然后切换到 CountThread 线程，这才出现了打印的 value 值是1，falg 值是 true 的情况，再为 value 赋值;不过出现这种情况的原因就是这两个赋值语句之间没有联系，所以编译器在进行代码编译的时候就可能进行指令重排序。

用图示，则为：

二、如何解决有序性

2.1、volatile

volatile 的底层是使用内存屏障来保证有序性的(让一个 CPU 缓存中的状态(变量)对其他 CPU 缓存可见的一种技术)。

volatile 变量有条规则是指对一个 volatile 变量的写操作， Happens-Before于后续对这个 volatile 变量的读操作。并且这个规则具有传递性，也就是说：

此时，我们定义变量 flag 时使用 volatile 关键字修饰，如：

1. 1    private static volatile boolean flag = false; 

此时，变量的含义是这样子的：

也就是说，只要读取到 flag=true; 就能读取到 value=1024;否则就是读取到flag=false; 和 value=1 的还没被修改过的初始状态;

但也有可能会出现线程切换带来的原子性问题，就是读取到 flag=false; 而value=1024 的情况;看过上一篇讲述[原子性]()的文章的小伙伴，可能就立马明白了，这是线程切换导致的。

2.2、加锁

此处我们直接采用Java语言内置的关键字 synchronized，为可能会重排序的部分加锁，让其在宏观上或者说执行结果上看起来没有发生重排序。

代码修改也很简单，只需用 synchronized 关键字修饰 run 方法即可,代码如下:

1. 1    public synchronized void run() { 
2. 2        value = 1024; 
3. 3        flag = true; 
4. 4    } 

同理，既然是加锁，当然也可以使用 Lock 加锁，但 Lock 必须要用户去手动释放锁，如果没有主动释放锁，就有可能导致出现死锁现象。这点在使用的时候一定要注意!

使用该种方式加锁也很简单，代码如下：

1. 1    readWriteLock.writeLock().lock(); 
2. 2    try { 
3. 3        value = 1024; 
4. 4        flag = true; 
5. 5    } finally { 
6. 6        readWriteLock.writeLock().unlock(); 
7. 7    } 

好了，以上内容就是我对并发中的有序性的一点理解与总结了，通过这三篇文章我们也就大致掌握了并发中常见的可见性、有序性、原子性问题以及它们常见的解决方案。

最后

阿粉简单总结下三篇文章文章中使用的解决方案之间的区别：

References

[1]: httPS://juejin.im/post/5d52abd1e51d4561e6237124

[2]: https://juejin.im/post/5d89fd1bf265da03e71b3605

[3]: https://www.cnblogs.com/54chensongxia/p/12120117.html

[4]: http://ifeve.com/jmm-faq-reordering/

编程语言往往使程序员能够比使用机器语言更准确地表达他们所想表达的目的。对那些从事计算机科学的人来说，懂得程序设计语言是十分重要的，因为在当今所有的计算都需要程序设计语言才能完成。