并發(fā)編程三大特性

原子性

一個操作或者多次操作，要么所有的操作全部都得到執(zhí)行并且不會受到任何因素的干擾而中斷，要么所有的操作都執(zhí)行，要么都不執(zhí)行。

對于基本數(shù)據(jù)類型的訪問，讀寫都是原子性的【long和double可能例外】。

如果需要更大范圍的原子性保證，可以使用synchronized關(guān)鍵字滿足。

可見性

當(dāng)一個變量對共享變量進(jìn)行了修改，另外的線程都能立即看到修改后的最新值。

volatile保證共享變量可見性，除此之外，synchronized和final都可以 實(shí)現(xiàn)可見性。

synchronized：對一個變量執(zhí)行unclock之前，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中。

final：被final修飾的字段在構(gòu)造器中一旦被初始化完成，并且構(gòu)造器沒有把this的引用傳遞出去，其他線程中就能夠看見final字段的值。

有序性

即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行【由于指令重排序的存在，Java 在編譯器以及運(yùn)行期間對輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化，代碼的執(zhí)行順序未必就是編寫代碼時候的順序】，volatile通過禁止指令重排序保證有序性，除此之外，synchronized關(guān)鍵字也可以保證有序性，由【一個變量在同一時刻只允許一條線程對其進(jìn)行l(wèi)ock操作】這條規(guī)則獲得。

CPU緩存模型是什么

高速緩存為何出現(xiàn)？

計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的，而執(zhí)行指令過程中，勢必涉及到數(shù)據(jù)的讀取和寫入。由于程序運(yùn)行過程中的**臨時數(shù)據(jù)是存放在主存（物理內(nèi)存）**當(dāng)中的，這時就存在一個問題，由于CPU執(zhí)行速度很快，而從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)和向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)的過程跟CPU執(zhí)行指令的速度比起來要慢的多，因此如果任何時候?qū)?shù)據(jù)的操作都要通過和內(nèi)存的交互來進(jìn)行，會大大降低指令執(zhí)行的速度。

為了解決CPU處理速度和內(nèi)存不匹配的問題，CPU Cache出現(xiàn)了。

圖源：JavaGuide

緩存一致性問題

當(dāng)程序在運(yùn)行過程中，會將運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到CPU的高速緩存當(dāng)中，那么CPU進(jìn)行計(jì)算時就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束之后，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當(dāng)中。

在單線程中運(yùn)行是沒有任何問題的，但是在多線程環(huán)境下問題就會顯現(xiàn)。舉個簡單的例子，如下面這段代碼：

i = i + 1;

按照上面分析，主要分為如下幾步：

• 從主存讀取i的值，復(fù)制一份到高速緩存中。
• CPU執(zhí)行執(zhí)行執(zhí)行對i進(jìn)行加1操作，將數(shù)據(jù)寫入高速緩存。
• 運(yùn)算結(jié)束后，將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中。

多線程環(huán)境下，可能出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？

• 初始時，兩個線程分別讀取i的值，存入各自所在的CPU高速緩存中。
• 線程T1進(jìn)行加1操作，將i的最新值1寫入內(nèi)存。
• 此時線程T2的高速緩存中i的值還是0，進(jìn)行加1操作，并將i的最新值1寫入內(nèi)存。

最終的結(jié)果i = 1而不是i = 2，得出結(jié)論：如果一個變量在多個CPU中都存在緩存（一般在多線程編程時才會出現(xiàn)），那么就可能存在緩存不一致的問題。

如何解決緩存不一致

解決緩存不一致的問題，通常來說有如下兩種解決方案【都是在硬件層面上提供的方式】：

通過在總線加LOCK#鎖的方式

在早期的CPU當(dāng)中，是通過在總線上加LOCK#鎖的形式來解決緩存不一致的問題。因?yàn)镃PU和其他部件進(jìn)行通信都是通過總線來進(jìn)行的，如果對總線加LOCK#鎖的話，也就是說阻塞了其他CPU對其他部件訪問（如內(nèi)存），從而使得只能有一個CPU能使用這個變量的內(nèi)存。比如上面例子中 如果一個線程在執(zhí)行 i = i +1，如果在執(zhí)行這段代碼的過程中，在總線上發(fā)出了LCOK#鎖的信號，那么只有等待這段代碼完全執(zhí)行完畢之后，其他CPU才能從變量i所在的內(nèi)存讀取變量，然后進(jìn)行相應(yīng)的操作。這樣就解決了緩存不一致的問題。

但，有一個問題，在鎖住總線期間，其他CPU無法訪問內(nèi)存，導(dǎo)致效率低下，于是就出現(xiàn)了下面的緩存一致性協(xié)議。

通過緩存一致性協(xié)議

較著名的就是Intel的MESI協(xié)議，MESI協(xié)議保S證了每個緩存中使用的共享變量的副本是一致的。

當(dāng)CPU寫數(shù)據(jù)時，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會發(fā)出信號通知其他CPU將該變量的緩存行置為無效狀態(tài)，因此當(dāng)其他CPU需要讀取這個變量時，發(fā)現(xiàn)自己緩存中緩存該變量的緩存行是無效的【嗅探機(jī)制：每個處理器通過嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己的緩存的值是否過期】，那么它就會從內(nèi)存重新讀取。

基于MESI一致性協(xié)議，每個處理器需要不斷從主內(nèi)存嗅探和CAS不斷循環(huán)，無效交互會導(dǎo)致總線帶寬達(dá)到峰值，出現(xiàn)總線風(fēng)暴。

JMM內(nèi)存模型是什么

JMM【Java Memory Model】：Java內(nèi)存模型，是java虛擬機(jī)規(guī)范中所定義的一種內(nèi)存模型，Java內(nèi)存模型是標(biāo)準(zhǔn)化的，屏蔽掉了底層不同計(jì)算機(jī)的區(qū)別，以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果。

它描述了Java程序中各種變量【線程共享變量】的訪問規(guī)則，以及在JVM中將變量存儲到內(nèi)存和從內(nèi)存中讀取變量這樣的底層細(xì)節(jié)。

注意，為了獲得較好的執(zhí)行性能，Java內(nèi)存模型并沒有限制執(zhí)行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來提升指令執(zhí)行速度，也沒有限制編譯器對指令進(jìn)行重排序。也就是說，在java內(nèi)存模型中，也會存在緩存一致性問題和指令重排序的問題。

JMM的規(guī)定

所有的共享變量都存儲于主內(nèi)存，這里所說的變量指的是【實(shí)例變量和類變量】，不包含局部變量，因?yàn)?strong>局部變量是線程私有的，因此不存在競爭問題。

每個線程都有自己的工作內(nèi)存（類似于前面的高速緩存）。線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接對主存進(jìn)行操作。

每個線程不能訪問其他線程的工作內(nèi)存。

Java對三大特性的保證

原子性

在Java中，對基本數(shù)據(jù)類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要么執(zhí)行，要么不執(zhí)行。

為了更好地理解上面這句話，可以看看下面這四個例子：

x = 10; //1 y = x; //2 x ++; //3 x = x + 1; //4

只有語句1是原子性操作：直接將數(shù)值10賦值給x，也就是說線程執(zhí)行這個語句的會直接將數(shù)值10寫入到工作內(nèi)存中。

語句2實(shí)際包含兩個操作：先去讀取x的值，再將x的值寫入工作內(nèi)存，雖然兩步分別都是原子操作，但是合起來就不能算作原子操作了。

語句3和4表示：先讀取x的值，進(jìn)行加1操作，寫入新的值。

需要注意的點(diǎn)：

• 在32位平臺下，對64位數(shù)據(jù)的讀取和賦值是需要通過兩個操作來完成的，不能保證其原子性。在目前64位JVM中，已經(jīng)保證對64位數(shù)據(jù)的讀取和賦值也是原子性操作了。
• Java內(nèi)存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實(shí)現(xiàn)更大范圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實(shí)現(xiàn)。

可見性

Java提供了volatile關(guān)鍵字來保證可見性。

當(dāng)一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當(dāng)有其他線程需要讀取時，它會去內(nèi)存中讀取新值。

另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼，并且在釋放鎖之前會將對變量的修改刷新到主存當(dāng)中。因此可以保證可見性。

有序性

在Java內(nèi)存模型中，允許編譯器和處理器對指令進(jìn)行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

在Java里面，可以通過volatile關(guān)鍵字來保證有序性，另外也可以通過synchronized和Lock來保證有序性。

Java內(nèi)存模型具備一些先天的有序性，前提是兩個操作滿足happens-before原則，摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》：

• 程序次序規(guī)則：一個線程內(nèi)，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作【讓程序看起來像是按照代碼順序執(zhí)行，虛擬機(jī)只會對不存在數(shù)據(jù)依賴性的指令進(jìn)行重排序，只能保證單線程中執(zhí)行結(jié)果的正確性，多線程結(jié)果正確性卻無法保證】
• 鎖定規(guī)則：一個unLock操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖額lock操作
• volatile變量規(guī)則：對一個變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作
• 傳遞規(guī)則：如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C
• 線程啟動規(guī)則：Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每個一個動作
• 線程中斷規(guī)則：對線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生
• 線程終結(jié)規(guī)則：線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行
• 對象終結(jié)規(guī)則：一個對象的初始化完成先行發(fā)生于他的finalize()方法的開始

如果兩個操作的執(zhí)行次序無法從happens-before原則推導(dǎo)出來，那么它們就不能保證它們的有序性，虛擬機(jī)可以隨意地對它們進(jìn)行重排序。

volatile解決的問題

• 保證了不同線程對共享變量【類的成員變量，類的靜態(tài)成員變量】進(jìn)行操作是時的可見性，一個線程修改了某個變量的值，新值對其他線程來說是立即可見的。

• 禁止指令重排序。

舉個簡單的例子，看下面這段代碼：

//線程1 boolean volatile stop = false; while(!stop){doSomething(); } //線程2 stop = true;

線程1和2各自都擁有自己的工作內(nèi)存，線程1和線程2首先都會將stop變量的值拷貝一份放到自己的工作內(nèi)存中，

共享變量stop通過volatile修飾，線程2將stop的值改為true將會立即寫入主內(nèi)存。

線程2寫入主內(nèi)存之后，導(dǎo)致線程1工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效。

線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，導(dǎo)致線程1會再次從主存中讀取stop值。

volatile保證原子性嗎？怎么解決？

volatile無法保證原子性，如對一個volatile修飾的變量進(jìn)行自增操作i ++，無法保證多線程下結(jié)果的正確性。

解決方法：

• 使用synchronized關(guān)鍵字或者Lock加鎖，保證某個代碼塊 在同一時刻只能被一個線程執(zhí)行。
• 使用JUC包下的原子類，如AtomicInteger等。【Atomic利用CAS來實(shí)現(xiàn)原子操作】。

volatile的實(shí)現(xiàn)原理

下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》：

觀察加入volatile關(guān)鍵字和沒有加入volatile關(guān)鍵字時所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)，加入volatile關(guān)鍵字時，會多出一個lock前綴指令。

lock前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個內(nèi)存屏障（也成內(nèi)存柵欄），內(nèi)存屏障會提供3個功能：

• 它確保指令重排序時不會把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時，在它前面的操作已經(jīng)全部完成；
• 它會強(qiáng)制將對緩存的修改操作立即寫入主存；
• 如果是寫操作，它會導(dǎo)致其他CPU中對應(yīng)的緩存行無效。

volatile和synchronized的區(qū)別

volatile變量讀操作的性能消耗與普通變量幾乎沒有什么差別，但是寫操作則會慢一些，因?yàn)樗枰诒镜卮a中插入許多內(nèi)存屏障指令來保證處理器不發(fā)生亂序執(zhí)行。不過即便如此，大多數(shù)場景下volatile的總開銷仍然要比鎖來的低。

• volatile只能用于變量，而synchronized可以修飾方法以及代碼塊。
• volatile能保證可見性，但是不能保證原子性。synchronized兩者都能保證。如果只是對一個共享變量進(jìn)行多個線程的賦值，而沒有其他的操作，推薦使用volatile，它更加輕量級。
• volatile 關(guān)鍵字主要用于解決變量在多個線程之間的可見性，而 synchronized 關(guān)鍵字解決的是多個線程之間訪問資源的同步性。

volatile的使用條件

使用volatile必須具備兩個條件【保證原子】：

• 對變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值。
• 該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【面试必备】java写spark好不好的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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