前言

今天來從操作系統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

同一進程內的線程是共享同一內存空間的，所以在多個線程的進程里，線程是可以同時操作這個進程空間的數據的，線程之間可以共享進程的資源：比如代碼段、堆空間、數據段、打開的文件等資源，但每個線程也有自己獨立的?？臻g。如果多個線程如果競爭共享資源，如果不采取有效的措施，則會造成共享數據的混亂。

舉個小栗子：一個房子里（代表一個進程），只有一個廁所（代表共享資源）。屋子里面有兩個人A和B（代表兩個線程），共用這個廁所。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，直接就開門進去了，然后發現A在里面。

上面這個故事說明，對于共享資源，如果沒有上鎖，在多線程的環境里，那么就可能會發生翻車現場。

競爭與協作

做個小實驗，創建五個線程，它們分別對共享變量 i 自增 1 執行 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()模擬業務時間，如果不加，大概率不會出現并發問題
                Thread.sleep(1);
                i += 1;
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //實例化站臺對象，并為每一個站臺取名字
        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);
        // 讓每一個站臺對象各自開始工作
        System.out.println(station.i);
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println(station.i);
    }
}

運行了幾次發現，每次運行得到不同的結果。在計算機里是不能容忍的，雖然是小概率出現的錯誤，但是小概率事件它一定是會發生的。

為什么會出現這樣的問題呢？

為了理解為什么會發生這種情況，我們必須了解編譯器為更新計數器 i 變量生成的代碼序列，也就是要了解匯編指令的執行順序。

在這個例子中，我們只是想給 i 加上數字 1，那么它對應的匯編指令執行過程是這樣的：

可以發現，只是單純給 i 加上數字 1，在 CPU 運行的時候，實際上要執行 3 條指令。

設想我們的線程 1 進入這個代碼區域，它將 i 的值（假設此時是 50 ）從內存加載到它的寄存器中，然后它向寄存器加 1，此時在寄存器中的 i 值是 51。

現在，一件不幸的事情發生了：當前線程被掛起了，線程 2 被調度運行，并進入同一段代碼。它也執行了第一條指令，從內存獲取 i 值并將其放入到寄存器中，此時內存中 i 的值仍為 50，因此線程 2 寄存器中的 i 值也是 50。假設線程 2 執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 值保存到內存中，于是此時全局變量 i 值是 51。

最后，又發生一次上下文切換，線程 1 恢復執行。還記得它已經執行了兩條匯編指令，現在準備執行最后一條指令?；貞浺幌?， 線程 1 寄存器中的 i 值是51，因此，執行最后一條指令后，將值保存到內存，全局變量 i 的值再次被設置為 51。

簡單來說，增加 i （值為 50 ）的代碼被運行兩次，按理來說，最后的 i 值應該是 52，但是由于不可控的調度，導致最后 i 值卻是 51。

針對上面線程 1 和線程 2 的執行過程，我畫了一張流程圖，會更明確一些：

互斥的概念

上面展示的情況稱為競爭條件（race condition），當多線程相互競爭操作共享變量時，由于運氣不好，即在執行過程中發生了上下文切換，我們得到了錯誤的結果，事實上，每次運行都可能得到不同的結果，因此輸出的結果存在不確定性（indeterminate）。

由于多線程執行操作共享變量的這段代碼可能會導致競爭狀態，因此我們將此段代碼稱為臨界區（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執行。

我們希望這段代碼是互斥（mutualexclusion）的，也就說保證一個線程在臨界區執行時，其他線程應該被阻止進入臨界區，說白了，就是這段代碼執行過程中，最多只能出現一個線程。

另外，說一下互斥也并不是只針對多線程。在多進程競爭共享資源的時候，也同樣是可以使用互斥的方式來避免資源競爭造成的資源混亂。

同步的概念

所謂同步，就是并發進程/線程在一些關鍵點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程/線程同步。

上面那個栗子：一A去上廁所了，發現廁所門的鎖壞了，告訴B一聲。這是B想去上廁所的話，就會先問一下A是不是還在里面，然后再開門進去了。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？

為了實現進程/線程間正確的協作，操作系統必須提供實現進程協作的措施和方法，主要的方法有兩種：

• 鎖：加鎖、解鎖操作；
• 信號量：P、V 操作；

這兩個都可以方便地實現進程/線程互斥，而信號量比鎖的功能更強一些，它還可以方便地實現進程/線程同步。

鎖

使用加鎖操作和解鎖操作可以解決并發線程/進程的互斥問題。

任何想進入臨界區的線程，必須先執行加鎖操作。若加鎖操作順利通過，則線程可進入臨界區；在完成對臨界資源的訪問后再執行解鎖操作，以釋放該臨界資源。

信號量

信號量是操作系統提供的一種協調共享資源訪問的方法。通常信號量表示資源的數量，對應的變量是一個整型（sem）變量。

另外，還有兩個原子操作的系統調用函數來控制信號量的，分別是：

• P 操作：將 sem 減 1，相減后，如果 sem < 0，則進程/線程進入阻塞等待，否則繼續，表明 P 操作可能會阻塞；
• V 操作：將 sem 加 1，相加后，如果 sem <= 0，喚醒一個等待中的進程/線程，表明 V 操作不會阻塞；

舉個類比，2 個資源的信號量，相當于 2 條火車軌道，PV 操作如下圖過程：