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聊天室软件源码的并发高,可能是什么问题引发的?

IT综合 作者:云豹科技程序员 时间:2021-11-22 16:51:08 0 删除 编辑

CPU为了对聊天室软件源码进行优化,会对聊天室软件源码的指令进行重排序,此时聊天室软件源码的执行顺序和代码的编写顺序不一定一致,这就可能会引起有序性问题。

有序性

有序性是指:按照聊天室软件源码的既定顺序执行。

说的通俗一点,就是聊天室软件源码会按照指定的顺序执行,例如,按照程序编写的顺序执行,先执行第一行代码,再执行第二行代码,然后是第三行代码,以此类推。如下图所示。
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指令重排序

编译器或者解释器为了优化聊天室软件源码的执行性能,有时会改变程序的执行顺序。但是,编译器或者解释器对程序的执行顺序进行修改,可能会导致意想不到的问题!

在单线程下,指令重排序可以保证最终执行的结果与聊天室软件源码顺序执行的结果一致,但是在多线程下就会存在问题。

如果发生了指令重排序,则程序可能先执行第一行代码,再执行第三行代码,然后执行第二行代码,如下所示。

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例如下面的三行代码。

int x = 1; int y = 2;int z = x + y;

CPU发生指令重排序时,能够保证x=1和y = 2这两行代码在z = x + y这行代码的上面,而x = 1和 y = 2的顺序就不一定了。在单线程下不会出现问题,但是在多线程下就不一定了。

有序性问题

CPU为了对聊天室软件源码进行优化,会对聊天室软件源码的指令进行重排序,此时程序的执行顺序和代码的编写顺序不一定一致,这就可能会引起有序性问题。

在Java程序中,一个经典的案例就是使用双重检查机制来创建单例对象。例如,在下面的代码中,在getInstance()方法中获取对象实例时,首先判断instance对象是否为空,如果为空,则锁定当前类的class对象,并再次检查instance是否为空,如果instance对象仍然为空,则为instance对象创建一个实例。

package io.binghe.concurrent.lab01;/**
 * @author binghe
 * @version 1.0.0
 * @description 测试单例
 */public class SingleInstance {
    private static SingleInstance instance;
    public static SingleInstance getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized (SingleInstance.class){
                if(instance == null){
                    instance = new SingleInstance();
                }
            }
        }
        return instance;
    }}

如果编译器或者解释器不会对上面的程序进行优化,整个代码的执行过程如下所示。

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注意:为了让大家更加明确流程图的执行顺序,我在上图中标注了数字,以明确线程A和线程B执行的顺序。

假设此时有线程A和线程B两个线程同时调用getInstance()方法来获取对象实例,两个线程会同时发现instance对象为空,此时会同时对SingleInstance.class加锁,而JVM会保证只有一个线程获取到锁,这里我们假设是线程A获取到锁。则线程B由于未获取到锁而进行等待。接下来,线程A再次判断instance对象为空,从而创建instance对象的实例,最后释放锁。此时,线程B被唤醒,线程B再次尝试获取锁,获取锁成功后,线程B检查此时的instance对象已经不再为空,线程B不再创建instance对象。

上面的一切看起来很完美,但是这一切的前提是编译器或者解释器没有对聊天室软件源码进行优化,也就是说CPU没有对程序进行重排序。而实际上,这一切都只是我们自己觉得是这样的。

在真正高并发环境下运行上面的代码获取instance对象时,创建对象的new操作会因为编译器或者解释器对聊天室软件源码的优化而出现问题。也就是说,问题的根源在于如下一行代码。

instance = new SingleInstance();

对于上面的一行代码来说,会有3个CPU指令与其对应。

1.分配内存空间。

2.初始化对象。

3.将instance引用指向内存空间。

正常执行的CPU指令顺序为1—>2—>3,CPU对程序进行重排序后的执行顺序可能为1—>3—>2。此时,就会出现问题。

当CPU对聊天室软件源码进行重排序后的执行顺序为1—>3—>2时,我们将线程A和线程B调用getInstance()方法获取对象实例的两种步骤总结如下所示。

【第一种步骤】

(1)假设线程A和线程B同时进入第一个if条件判断。

(2)假设线程A首先获取到synchronized锁,进入synchronized代码块,此时因为instance对象为null,所以,此时执行instance = new SingleInstance()语句。

(3)在执行instance = new SingleInstance()语句时,线程A会在JVM中开辟一块空白的内存空间。

(4)线程A将instance引用指向空白的内存空间,在没有进行对象初始化的时候,发生了线程切换,线程A释放synchronized锁,CPU切换到线程B上。

(5)线程B进入synchronized代码块,读取到线程A返回的instance对象,此时这个instance不为null,但是并未进行对象的初始化操作,是一个空对象。此时,线程B如果使用instance,就可能出现问题!!!

【第二种步骤】

(1)线程A先进入if条件判断,

(2)线程A获取synchronized锁,并进行第二次if条件判断,此时的instance为null,执行instance = new SingleInstance()语句。

(3)线程A在JVM中开辟一块空白的内存空间。

(4)线程A将instance引用指向空白的内存空间,在没有进行对象初始化的时候,发生了线程切换,CPU切换到线程B上。

(5)线程B进行第一次if判断,发现instance对象不为null,但是此时的instance对象并未进行初始化操作,是一个空对象。如果线程B直接使用这个instance对象,就可能出现问题!!!

在第二种步骤中,即使发生线程切换时,线程A没有释放锁,则线程B进行第一次if判断时,发现instance已经不为null,直接返回instance,而无需尝试获取synchronized锁。

我们可以将上述过程简化成下图所示。

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总结

导致聊天室软件源码并发编程产生各种诡异问题的根源有三个:缓存导致的可见性问题、线程切换导致的原子性问题和编译优化带来的有序性问题。我们从根源上理解了这三个问题产生的原因,能够帮助我们更好的编写聊天室软件源码。

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