线程安全性之可见性、缓存一致性（MESI）以及伪共享问题分析

2023-12-29 12:42:28

可见性问题

可见性是什么：线程A变量对线程B不可见，例如数据库脏读。

1.代码示例

    static boolean flag = false;
    static int num = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(()->{
            //里面无触发活性的东西 会导致活性失效
            while (!flag){
               num++;
            }
        }).start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(num);
        flag = true;
    }
	//输出结果
	1255362997

然后惊奇的发现，程序并没有停止呀，可见性问题就此展开

2.活性失效

简单来说，程序进行的值在没有触发操作，没有进行重新加载，也就还是以前的值。

//然后在里面加入这个 
System.out.println(num);
//或者
try {
    Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}

加上上述代码，程序又能正常结束了，这是为什么呢？

sout 是IO里面的操作，里面有synchronized同步操作

public void println(int x) {
    synchronized (this) {
        print(x);
        newLine();
    }
}

Thread.sleep(10)是阻塞操作，会继续持有锁，但是放弃cpu执行机会，导致上下文切换

综上所述：上面两种方式都会重新加载值，故而可以正常结束线程

CPU高速缓存

1.由来

磁盘(程序) -> 加载程序 -> 内存(数据) -> 运行 -> CPU

CPU的运行速度会比磁盘读写快的多，那么在磁盘读写时，CPU将处于阻塞状态，造成了CPU资源的浪费，于是便有了一系列的优化

CPU资源利用问题

CPU增加3级高速缓存（L1 L2 L3）
操作系统中，增加进程、线程 ->通过CPU的时间片切换，提升CPU利用率
编译器优化（JVM的深度优化）

2.缓存一致性

在我们的任务管理器 -CPU界面可以看到 L1 L2 L3缓存
CPU - L1(区分) - L2(单个CPU共享) - L3(整个共享) - 主存，顺序为依次读取，但是又有了新的问题

从上图可以看到，CPU1在修改完flag后同步到主存，但是当CPU2去取flag的时候，因为先从缓存取的缘故，可能还有旧的值，这就是缓存一致性问题。

3.缓存一致性解决方案

毋庸置疑：加锁

总线锁，更新到主存处加锁
缓存锁
- 缓存一致性协议（MESI,MOSI）
- MESI，分别表示修改（modify）、独占（exclusive）、共享（share）、失效（invalid）
修改：当CPU去修改i变量的时候，会把状态修改为modify状态
独占：该变量只存在当前CPU缓存行中
共享：多个CPU都加载了该变量
失效：当缓存行中i变量发生改变时，发现是共享状态，那么需要通知另一个CPU的i变量修改为失效状态
根据MESI协议，读取的时候只有MES走缓存，I状态下的要直接访问内存
看下MESI协议流程图

当修改i = 1时，整个流程如下
- CPU1修改变量i时，状态会修改为M(修改)状态，同时通知CPU2的变量i修改为I(无效)状态
- CPU1修改完成后同步到主存，并将变量i设置为E（独占）状态
- 当CPU2操作变量i时，发现是失效状态，会去内存中重新加载。最终通过总线探测得到CPU1也有加载变量i，就会将CPU1和CPU2中的变量i都会修改为S（共享）状态，否则就是独占状态

总得来说就是在修改高速缓存共享（share）状态下的时候，会发送一个失效指令给其他CPU，然后其他CPU读取高速缓存时发现是失效状态，那么从重新从内存加载进来，以解决缓存一致性问题。
看下解决方案图：

从上图可以看图更新缓存会走到缓存锁/总线锁，具体实现不是我们实现，而是由CPU加上汇编指令#Lock去实现，当我们加上volatile关键字后，最终的执行指令中就会生成#Lock汇编指令，从而达到加锁的效果

总结：在java中加上 volatile关键字，就等于加上了汇编指令#Lock，达到加锁的效果

查看运行的汇编指令可以参考hsdis，这里不贴图了,点击去百度
具体区别就是加了Volatile关键字和没加的汇编指令中有没有#Lock的区别

注意点：MESI协议只能保证并发编程中的可见性，并未解决原子性和有序性的问题，所以只靠MESI协议是无法完全解决多线程中的所有问题。

伪共享问题

1.伪共享问题的表现

并发修改在一个缓存行中的多个独立变量，表面上是并发执行的，但实际在CPU处理的时候是串行执行的，并发的性能有很大的影响。

缓存是由缓存行组成的，通常是64字节组成。
一个java的long类型是8字节，因此一个缓存行中可以存放8个long类型的变量。

缓存行是CPU内部用来存放数据的最小存储区域，缓存行每次加载数据是一段一段的(提升性能)，X86的电脑一段就是64位，但在这个缓存行下会出现以下问题

一个缓存行中X、Y、Z三个变量，那么在CPU0操作X时，那么在CPU1中，整个缓存行就失效了，这个时候，如果CPU1修改了Y的值，就必须先提交CPU1的缓存，然后再去主存中读取数据，这样就出现了问题，X和Y在两个CPU上被修改，本是一个并行的操作，但由于缓存一致性，却成为了串行，会严重影响并发的性能，这就叫做伪共享问题。

2.伪共享问题的解决方案

引入对齐填充，不足64位的情况下，采取补齐
Java中提供了两种方案：

填充法：在两个long类型中间使用额外的7个long进行填充

public class Pointer{
    long index;
    long a1,a2,a3,a4,a5,a6，a7;
    long count;
}

上面的代码使用填充法后，在内存行中的布局如下

index
count

使用@Contentded注解
对类使用时：是整个字段快两端都被填充
对字段使用时：该字段会和其他字段分离到不存的缓存行上，同时还支持contention group属性，同一组的字段在内存上是连续的。

@sun.misc.Contended(“v1”)

该注解需要添加JVM启动参数才能生效：-XX:-RestrictContended

以上就是本章的全部内容了。

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