i++引發的深度思考

前言

很多小夥伴在面試的時候可能會被面試官問過一個問題：i++操作在多核多線程環境下是安全的嗎？有很大一部分童鞋知道是不安全的，但再深入探討的時候，很多人就是知其然而不知其所以然了。其實，看似簡單的一個操作，實際蘊含著太多基礎的內容，掌握這些基礎，對我們深入學習至關重要，下面我們一起來探討一下吧。

i++

大家都知道，i++的操作實際上是對i變量進行自增1的操作，我相信會有一小部分人認為i++只是一行代碼的事，他就是一個操作而已，在多線程環境下，他就具有原子性。其實不然，

i++的操作，其實分成三個cpu指令週期完成，我們來看看i++在xcode編譯下的彙編代碼：

i++源碼

對應的彙編如下：

i++對應的彙編指令

可以看出i++的操作其實是分成三部分的：

1. 把i變量從內存讀進寄存器
2. 在寄存器中對變量i進行自增1操作
3. 把自增後的i值從寄存器寫回到內存

看到這，你還會認為這只是一個操作嗎？

到這，應該比較容易理解i++操作在不做任何同步措施的情況下，在多核環境中，最終i的值會小於或等於正確值。等於的原因是，i++在操作次數不多的情況下，可能並不會調度到多核cpu上，i++的操作次數大，越會小於正確值。

這是因為，同一時刻，相同的值會被多個cpu緩存，這樣分別做i++操作，再同時寫回內存時，就會存在相互覆蓋的情況，這樣最終的值會變小，大家不妨也可以試一試。

解決方案

1、通過循環CAS解決

循環CAS解決i++問題

使用Java併發包下的AtomicInteger可以解決i++在多線程環境下的問題，底層是通過不斷比較內存中的值是否和期望的值一致，如果不一致，則繼續重複操作，直到一致為止。

這種方式不需要進行線程上下文切換，但會比較容易消耗CPU的資源，因此只適宜做一些簡單快速的業務計算。

2、通過synchronized解決

通過synchronized解決i++問題

使用synchronized也可樣可以解決線程安全問題，這種方式處理i++這些非常簡單的操作時，可經過jvm優化不會阻塞線程。但如果是其它複雜的操作，在一定程度時會阻塞沒有獲取到鎖的線程，導致其它線程進行等待隊列，在併發量大時，會出現比較大的線程上下文切換。

再談i++

針對上面兩種解決方式，可能會有人問，使用volatile修飾i變量能不能做到線程安全呢？瞭解volatile的人，應該都知道這是不能的。

volatile只能保證內存的可見性，並不能保證操作的原子性。什麼是內容的可見性？簡單可以這樣理解，就是線程A修改了i值，cpu會馬上把這個修改的值刷新回主內存，保證其它線條讀取的時候，都能拿到最新的值。

也就是說上面i++的第一條指令通過volatile能何保證，讀到的是相同的值，但第二個自增操作，因為變量i已經在cpu的寄存器或緩存中了，cpu在這個時刻已經不需要讀取變量i了，所以volatile是無法保證原子操作的。

那很多人可能會問，cpu不是每自增一次就會寫回內存的嗎？其實也不是，現代CPU都是有回寫這個操作的，所謂回寫，為了避免總線上頻繁的數據傳輸，cpu修改的數據不會馬上刷回到內存，而是先寫入到它的緩存。

CPU是不直接和內存連接的，CPU和一級緩存連接，一級緩存和二級緩存連接，二級和三級連接，基本就是這個意思，數據也是逐級傳遞下去的。所以說i++的操作i會在cpu中緩存起來，也就是我們常說的“髒數據”。

所以這個問題在多線程環境下會引起比較大的挑戰，很多時候我們都需要保存多線程環境下數據的一致性。為了解決這個問題，主要有兩個解決方案

• 鎖定總線

作何數據的寫入讀取都要申請總線的獨佔權，這樣每個指令拿到的數據都是最新的，也就沒有上面所說的問題了。這種方式，簡單粗暴，但性能底下，現在一般都不使用。

• CPU緩存一致性協議（MESI）

CPU緩存一致性協議的原理是：每個CPU的緩存通過不停地嗅探總線上數據的傳輸，而動態地改變自己的緩存狀態。

緩存一致性協議中數據有四種狀態：

1、失效：數據在cpu緩存中是失效狀態的，這種狀態的數據都會被忽略，相當於從來沒有被加載到緩存中。

2、共享：數據在緩存中和在內存中是保持一致的，這種狀態的數據只能讀取，不能寫入，也就我們常說的只讀模式。所以多個cpu的緩存可以同時擁有相同地址段的內存

3、獨佔：獲取這種狀態前，需要先到總線申請獨佔權，這時會被其它cpu的緩存嗅探到，其它cpu的緩存如果緩存了相當的數據段，由會把其失效。獲取到獨佔權的cpu，才能對數據進行寫入。

4、修改：處理器修改過的數據，回寫到緩存時，會變成修改狀態，處於這種狀態的數據，其它cpu如果緩存了相同的數據，也會被失效。

我們細想一下，CPU緩存一致性協議，很好地解決了內存的可見性和單指令的原子性這兩個問題了，但它並不能保證複雜的原子性操作。

其實要保證複雜操作的原子性，也有兩種方法

1、在進入原子操作區域前，在總線上加鎖，此時只有該線程能對內存進行讀寫操作。這種方式同樣時，簡單粗暴，CPU性能開銷大。

2、如果我們原子操作涉及的內存數據可以被CPU緩存，並不會跨越緩存行，則可以通過緩存一致性協議，只鎖定緩存行而不鎖總線，那麼性能會得到很大的改善，因為這不會影響其它cpu通過總線讀取數據。

總結

不管我們上層如何使用各種手段都保證內存可見性也好，原子性也罷，最底層的解決方案也就是那一兩種，萬變不離其宗，從上往上看，你是不是更豁然開朗了呢？喜歡點個關注，謝謝。