我們一起聊聊從操作系統(tǒng)層面理解多線程沖突
前言
今天來從操作系統(tǒng)層面理解一下多線程沖突的問題，話不多說，開始~~
什么是多線程的沖突
同一進(jìn)程內(nèi)的線程是共享同一內(nèi)存空間的，所以在多個(gè)線程的進(jìn)程里，線程是可以同時(shí)操作這個(gè)進(jìn)程空間的數(shù)據(jù)的，線程之間可以共享進(jìn)程的資源：比如代碼段、堆空間、數(shù)據(jù)段、打開的文件等資源，但每個(gè)線程也有自己獨(dú)立的棧空間。如果多個(gè)線程如果競(jìng)爭(zhēng)共享資源，如果不采取有效的措施，則會(huì)造成共享數(shù)據(jù)的混亂。
舉個(gè)小栗子：一個(gè)房子里（代表一個(gè)進(jìn)程），只有一個(gè)廁所（代表共享資源）。屋子里面有兩個(gè)人A和B（代表兩個(gè)線程），共用這個(gè)廁所。一天A去上廁所了，不過廁所門的鎖壞了，就沒法鎖門。這是B也想去上廁所，直接就開門進(jìn)去了，然后發(fā)現(xiàn)A在里面。
上面這個(gè)故事說明，對(duì)于共享資源，如果沒有上鎖，在多線程的環(huán)境里，那么就可能會(huì)發(fā)生翻車現(xiàn)場(chǎng)。
競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)作
做個(gè)小實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)建五個(gè)線程，它們分別對(duì)共享變量 i 自增 1 執(zhí)行 1000 次
package com.atguigu.juc.atomics;
public class Station{
int i = 0;
public void add() {
for(int m = 0; m < 1000; m++){
try {
//使用sleep()模擬業(yè)務(wù)時(shí)間，如果不加，大概率不會(huì)出現(xiàn)并發(fā)問題
Thread.sleep(1);
i += 1;
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//實(shí)例化站臺(tái)對(duì)象，并為每一個(gè)站臺(tái)取名字
Station station = new Station();
new Thread(station::add,"線程1").start();
new Thread(station::add,"線程2").start();
new Thread(station::add,"線程3").start();
new Thread(station::add,"線程4").start();
new Thread(station::add,"線程5").start();
Thread.sleep(20000);
// 讓每一個(gè)站臺(tái)對(duì)象各自開始工作
System.out.println(station.i);
Thread.sleep(5000);
System.out.println(station.i);
}
}運(yùn)行了幾次發(fā)現(xiàn)，每次運(yùn)行得到不同的結(jié)果。在計(jì)算機(jī)里是不能容忍的，雖然是小概率出現(xiàn)的錯(cuò)誤，但是小概率事件它一定是會(huì)發(fā)生的。
為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的問題呢？
為了理解為什么會(huì)發(fā)生這種情況，我們必須了解編譯器為更新計(jì)數(shù)器 i 變量生成的代碼序列，也就是要了解匯編指令的執(zhí)行順序。
在這個(gè)例子中，我們只是想給 i 加上數(shù)字 1，那么它對(duì)應(yīng)的匯編指令執(zhí)行過程是這樣的：
可以發(fā)現(xiàn)，只是單純給 i 加上數(shù)字 1，在 CPU 運(yùn)行的時(shí)候，實(shí)際上要執(zhí)行 3 條指令。
設(shè)想我們的線程 1 進(jìn)入這個(gè)代碼區(qū)域，它將 i 的值（假設(shè)此時(shí)是 50 ）從內(nèi)存加載到它的寄存器中，然后它向寄存器加 1，此時(shí)在寄存器中的 i 值是 51。
現(xiàn)在，一件不幸的事情發(fā)生了：當(dāng)前線程被掛起了，線程 2 被調(diào)度運(yùn)行，并進(jìn)入同一段代碼。它也執(zhí)行了第一條指令，從內(nèi)存獲取 i 值并將其放入到寄存器中，此時(shí)內(nèi)存中 i 的值仍為 50，因此線程 2 寄存器中的 i 值也是 50。假設(shè)線程 2 執(zhí)行接下來的兩條指令，將寄存器中的 i 值 + 1，然后將寄存器中的 i 值保存到內(nèi)存中，于是此時(shí)全局變量 i 值是 51。
最后，又發(fā)生一次上下文切換，線程 1 恢復(fù)執(zhí)行。還記得它已經(jīng)執(zhí)行了兩條匯編指令，現(xiàn)在準(zhǔn)備執(zhí)行最后一條指令。回憶一下， 線程 1 寄存器中的 i 值是51，因此，執(zhí)行最后一條指令后，將值保存到內(nèi)存，全局變量 i 的值再次被設(shè)置為 51。
簡(jiǎn)單來說，增加 i （值為 50 ）的代碼被運(yùn)行兩次，按理來說，最后的 i 值應(yīng)該是 52，但是由于不可控的調(diào)度，導(dǎo)致最后 i 值卻是 51。
針對(duì)上面線程 1 和線程 2 的執(zhí)行過程，我畫了一張流程圖，會(huì)更明確一些：
互斥的概念
上面展示的情況稱為競(jìng)爭(zhēng)條件（race condition），當(dāng)多線程相互競(jìng)爭(zhēng)操作共享變量時(shí)，由于運(yùn)氣不好，即在執(zhí)行過程中發(fā)生了上下文切換，我們得到了錯(cuò)誤的結(jié)果，事實(shí)上，每次運(yùn)行都可能得到不同的結(jié)果，因此輸出的結(jié)果存在不確定性（indeterminate）。
由于多線程執(zhí)行操作共享變量的這段代碼可能會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)，因此我們將此段代碼稱為臨界區(qū)（critical section），它是訪問共享資源的代碼片段，一定不能給多線程同時(shí)執(zhí)行。
我們希望這段代碼是互斥（mutualexclusion）的，也就說保證一個(gè)線程在臨界區(qū)執(zhí)行時(shí)，其他線程應(yīng)該被阻止進(jìn)入臨界區(qū)，說白了，就是這段代碼執(zhí)行過程中，最多只能出現(xiàn)一個(gè)線程。
另外，說一下互斥也并不是只針對(duì)多線程。在多進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)共享資源的時(shí)候，也同樣是可以使用互斥的方式來避免資源競(jìng)爭(zhēng)造成的資源混亂。
同步的概念
所謂同步，就是并發(fā)進(jìn)程/線程在一些關(guān)鍵點(diǎn)上可能需要互相等待與互通消息，這種相互制約的等待與互通信息稱為進(jìn)程/線程同步。
上面那個(gè)栗子：一A去上廁所了，發(fā)現(xiàn)廁所門的鎖壞了，告訴B一聲。這是B想去上廁所的話，就會(huì)先問一下A是不是還在里面，然后再開門進(jìn)去了。這也是互通消息的方式，如果鎖沒有壞，A直接把門鎖上，這就是相互等待的方式。
怎么解決多線程沖突？
為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)程/線程間正確的協(xié)作，操作系統(tǒng)必須提供實(shí)現(xiàn)進(jìn)程協(xié)作的措施和方法，主要的方法有兩種：
- 鎖：加鎖、解鎖操作；
- 信號(hào)量：P、V 操作；
這兩個(gè)都可以方便地實(shí)現(xiàn)進(jìn)程/線程互斥，而信號(hào)量比鎖的功能更強(qiáng)一些，它還可以方便地實(shí)現(xiàn)進(jìn)程/線程同步。
鎖
使用加鎖操作和解鎖操作可以解決并發(fā)線程/進(jìn)程的互斥問題。
任何想進(jìn)入臨界區(qū)的線程，必須先執(zhí)行加鎖操作。若加鎖操作順利通過，則線程可進(jìn)入臨界區(qū)；在完成對(duì)臨界資源的訪問后再執(zhí)行解鎖操作，以釋放該臨界資源。
信號(hào)量
信號(hào)量是操作系統(tǒng)提供的一種協(xié)調(diào)共享資源訪問的方法。通常信號(hào)量表示資源的數(shù)量，對(duì)應(yīng)的變量是一個(gè)整型（sem）變量。
另外，還有兩個(gè)原子操作的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)來控制信號(hào)量的，分別是：
- P 操作：將 sem 減 1，相減后，如果 sem < 0，則進(jìn)程/線程進(jìn)入阻塞等待，否則繼續(xù)，表明 P 操作可能會(huì)阻塞；
- V 操作：將 sem 加 1，相加后，如果 sem <= 0，喚醒一個(gè)等待中的進(jìn)程/線程，表明 V 操作不會(huì)阻塞；
舉個(gè)類比，2 個(gè)資源的信號(hào)量，相當(dāng)于 2 條火車軌道，PV 操作如下圖過程：
