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大道至简-并发编程 | (二)怎么解决可见性有序性和原子性?happens-before和CAS

  • 2026-10-21 13:28:19
大道至简-并发编程 | (二)怎么解决可见性有序性和原子性?happens-before和CAS

    锁是解决三大问题最趁手的工具。其背后的实现逻辑是一套上传下达的规则，让程序员的想法能被CPU听到。本节先介绍其背后的happens-before和CAS。

    happens-before作为规则，用于有序性、可见性。CAS是扎扎实实的保证原子性的操作，但其背后也是一种上传下达的规则设计。

happens-before解决可见性和有序性

    Java应用希望能够线程的运行可控，操作系统希望并发线程执行效率高。JMM设计了happens-before规则，保证多线程执行的可见性和有序性。

JVM内存模型与操作系统内存模型

静态布局，JVM运行时数据区模型可以分为：

  • 共享内存：堆、方法区。
  • 独有内存：虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。
动态映射，在操作系统执行时，物理上只有RAM/CPU缓存和寄存器。
JMM实现了逻辑数据模型到物理内存的映射，他规定了主内存和工作内存。作为JVM逻辑内存模型到操作系统物理内存模型的映射。
  • 共享内存≈RAM
  • 工作内存≈CPU写缓存+L1/L2/L3高速缓存+CPU寄存器。
线程同步问题≈刷内存问题
一般情况下，线程之间数据同步方式就是对同一块共享区域(RAM)的读写，想要做好线程同步，就需要设计好什么时候刷回RAM。
三方约定-happens-before
JMM向程序员承诺，操作系统会遵守happens-before规则，保证按规定刷回主存，按规定限制重排序。

happens-before：三方约定

    happens-before规定两个操作执行结果的可见性。如果a操作happens-before b操作，则不论a和b是否在同一线程，JMM都保证a执行结果对b的可见性。
对于存在happens-before关系的两个操作，只要重排序不影响可见性关系，则JMM允许这种重拍。
通过happens-before，程序员可以确保多线程可见性可控，操作系统也具有一定的重排序优化权限。
happens-before规则：
  • volatile变量： 对一个 volatile 变量的写操作happens-before 于后续对这个变量的读操作。也就是说，每次读取volatile变量的时候，都保证其已经实现了多线程同步。
  • 线程内保证"类似单线程"：单个线程内，前面的操作 heppens-before后面的操作。约等于as-if-serial
  • 锁规定：对一个锁的解锁happens-before随后的加锁。
  • start()规定：线程A如果ThreadB.start()线程,则A的ThreadB.start() heppens-before线程B中任意操作。
  • join()规定：线程A如果ThreadB.join()线程并成功返回，线程B的任意操作都happens-before线程A的ThreadB.join()。
  • 传递性：如果A happens-before B，B happens-before C, 则A heppens-before C。

happens-before实现原理：内存屏障

    内存屏障是操作系统能来理解的禁止重排序的约定标识。JMM通过插入内存屏障实现happens-before。
内存屏障包括：
  • StoreLoad：例如Store1 StoreLoad Load2，则说明，在进行Load2之前，必须先进行Store1
  • LoadStore：例如Load1 LoadStore Store2，则说明，在进行Store2之前，必须先进行Load1。
  • StoreStore：xxx
  • LoadLoad：xxx
通过使用内存屏障，阻止编码器重排序、指令重排序以及保证线程可见性，解决内存系统重排序问题。

对happens-before的高级封装-锁

把happens-before看成一种约定。JMM封装的锁是约定的压缩包，例如：
  • Synchronized(classA) ：对一个锁的解锁Happens-Before 于随后对这个锁的加锁 ；
  • volatile a：写a happens-before 读a。如果线程1已经实现了写回a=1(写到写缓存)，后续线程2读的时候，一定能看到a=1。

CAS和锁解决原子性

    原子操作的经典例子：线程A对变量i的读写操作之间，被插入其他操作，导致结果错误。若将i的“读和写”变成一个不可分割独立操作，该问题将得到解决。

操作系统的原子操作

最基础的，CPU硬件保证一次操作的原子性，当一个CPU操作(包括读和写)某个字节时，其他CPU不可以对该字节进行操作。除此之外，操作系统不保证任何操作的原子性，除非涉及某些规则 LOCK前缀。
LOCK#触发总线锁
    当一个CPU在总线上输出LOCK#信号时，其他CPU的请求将会被阻塞，处理器独占内存空间。但是总线锁有个问题就是，锁的范围太大了。比如想要原子的进行i++操作时，只需要保证i读写的原子性，但是却锁了整个内存，禁止其他CPU读取。
Lock 触发缓存锁
    我们知道CPU一般都会把数据加载到高速缓存里，而不是直接读内存数据。只要在缓存中把这个数据“锁”住就可以实现锁定，而不至于像总线锁一样影响巨大。
    具体而言：每个CPU有独享的一级二级缓存，还有共享的三级缓存。当某个CPU发现自己要做原子操作时(Lock 开头的指令)，并且该数据在自己的缓存中。则立刻通知其他CPU，让他们缓存中的该数据失效，并且只有在写回内存之后，才允许其他CPU读该数据源。这样就保证了对该数据的读写操作的原子性。这个机制叫MESI协议。

缓存锁和总线锁的合作

    可以看到，总线锁兜底可用，但是影响大。缓存锁对整个操作系统性能影响更小，但是存在可行条件：
  1. 数据在缓存中。
  2. 数据不在同一个缓存行（缓存行是内存操作的最小单位，主流CPU是64字节）：因为MESI协议规定，只能搞定一个缓存行的权限。
所以其合作方式为，尽可能用缓存行锁，总线锁兜底。当CPU看到Lock前缀执行xxx时：
  • 大多数情况，目标数据在缓存中，触发缓存锁，执行xxx，然后释放缓存锁。
  • 数据跨行或未缓存，则CPU触发总线锁LOCK #，RAM和CPU通信拉闸，执行xxx，释放总线锁。

CAS解决原子性

    语义：如果没被别人修改，则我才修改。他存储一个旧值，当想要修改为新值时，先查看是否仍然等于旧值。
其底层就是利用了LOCK CMPXCHG指令实现原子性。
经典面试问题-CAS的ABA问题
    如图，Time=1的时候，线程A读到i=0。Time=4的时候，i也等于0。但是期间被改过两次，那A此时，是否把新值替换进去？解决方案就是给一个更严格的定义，每次修改，则i的版本号变一次，只有值不变，且版本号不变的情况下。才把新值替换进去。

对CAS的高级封装-锁

锁机制保证只有获得锁的线程才能操作锁定的内存空间。直接解决了读写之间，内存被改的可能，实现了原子性操作。
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