淺談java內(nèi)存模型
不同的平臺(tái)，內(nèi)存模型是不一樣的，但是jvm的內(nèi)存模型規(guī)范是統(tǒng)一的。其實(shí)java的多線程并發(fā)問題最終都會(huì)反映在java的內(nèi)存模型上，所謂線程安全無非是要控制多個(gè)線程對(duì)某個(gè)資源的有序訪問或修改。總結(jié)java的內(nèi)存模型，要解決兩個(gè)主要的問題：可見性和有序性。我們都知道計(jì)算機(jī)有高速緩存的存在，處理器并不是每次處理數(shù)據(jù)都是取內(nèi)存的。JVM定義了自己的內(nèi)存模型，屏蔽了底層平臺(tái)內(nèi)存管理細(xì)節(jié)，對(duì)于java開發(fā)人員，要清楚在jvm內(nèi)存模型的基礎(chǔ)上，如果解決多線程的可見性和有序性。
那么，何謂可見性？ 多個(gè)線程之間是不能互相傳遞數(shù)據(jù)通信的，它們之間的溝通只能通過共享變量來進(jìn)行。Java內(nèi)存模型（JMM）規(guī)定了jvm有主內(nèi)存，主內(nèi)存是多個(gè)線程共享的。當(dāng)new一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，也是被分配在主內(nèi)存中，每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存存儲(chǔ)了主存的某些對(duì)象的副本，當(dāng)然線程的工作內(nèi)存大小是有限制的。當(dāng)線程操作某個(gè)對(duì)象時(shí)，執(zhí)行順序如下：
(1) 從主存復(fù)制變量到當(dāng)前工作內(nèi)存 (read and load)
(2) 執(zhí)行代碼，改變共享變量值 (use and assign)
(3) 用工作內(nèi)存數(shù)據(jù)刷新主存相關(guān)內(nèi)容 (store and write)
JVM規(guī)范定義了線程對(duì)主存的操作指令：read，load，use，assign，store，write。當(dāng)一個(gè)共享變量在多個(gè)線程的工作內(nèi)存中都有副本時(shí)，如果一個(gè)線程修改了這個(gè)共享變量，那么其他線程應(yīng)該能夠看到這個(gè)被修改后的值，這就是多線程的可見性問題。
那么，什么是有序性呢 ？線程在引用變量時(shí)不能直接從主內(nèi)存中引用,如果線程工作內(nèi)存中沒有該變量,則會(huì)從主內(nèi)存中拷貝一個(gè)副本到工作內(nèi)存中,這個(gè)過程為read-load,完成后線程會(huì)引用該副本。當(dāng)同一線程再度引用該字段時(shí),有可能重新從主存中獲取變量副本(read-load-use),也有可能直接引用原來的副本(use),也就是說 read,load,use順序可以由JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決定。
線程不能直接為主存中中字段賦值，它會(huì)將值指定給工作內(nèi)存中的變量副本(assign),完成后這個(gè)變量副本會(huì)同步到主存儲(chǔ)區(qū)(store-write)，至于何時(shí)同步過去，根據(jù)JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決定.有該字段,則會(huì)從主內(nèi)存中將該字段賦值到工作內(nèi)存中,這個(gè)過程為read-load,完成后線程會(huì)引用該變量副本，當(dāng)同一線程多次重復(fù)對(duì)字段賦值時(shí),比如：
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for(int i=0;i<10;i++) a++; |
線程有可能只對(duì)工作內(nèi)存中的副本進(jìn)行賦值,只到最后一次賦值后才同步到主存儲(chǔ)區(qū)，所以assign,store,weite順序可以由JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決定。假設(shè)有一個(gè)共享變量x，線程a執(zhí)行x=x+1。從上面的描述中可以知道x=x+1并不是一個(gè)原子操作，它的執(zhí)行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內(nèi)存
2 給x加1
3 將x加1后的值寫回主存
如果另外一個(gè)線程b執(zhí)行x=x-1，執(zhí)行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內(nèi)存
2 給x減1
3 將x減1后的值寫回主存
那么顯然，最終的x的值是不可靠的。假設(shè)x現(xiàn)在為10，線程a加1，線程b減1，從表面上看，似乎最終x還是為10，但是多線程情況下會(huì)有這種情況發(fā)生：
1：線程a從主存讀取x副本到工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中x值為10
2：線程b從主存讀取x副本到工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中x值為10
3：線程a將工作內(nèi)存中x加1，工作內(nèi)存中x值為11
4：線程a將x提交主存中，主存中x為11
5：線程b將工作內(nèi)存中x值減1，工作內(nèi)存中x值為9
6：線程b將x提交到中主存中，主存中x為9
同樣，x有可能為11，如果x是一個(gè)銀行賬戶，線程a存款，線程b扣款，顯然這樣是有嚴(yán)重問題的，要解決這個(gè)問題，必須保證線程a和線程b是有序執(zhí)行的，并且每個(gè)線程執(zhí)行的加1或減1是一個(gè)原子操作。看看下面代碼：
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public class Account { private int balance; public Account(int balance) { this.balance = balance; } public int getBalance() { return balance; } public void add(int num) { balance = balance + num; } public void withdraw(int num) { balance = balance - num; } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Account account = new Account(1000); Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add"); Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw"); a.start(); b.start(); a.join(); b.join(); System.out.println(account.getBalance()); } static class AddThread implements Runnable { Account account; int amount; public AddThread(Account account, int amount) { this.account = account; this.amount = amount; } public void run() { for (int i = 0; i < 200000; i++) { account.add(amount); } } } static class WithdrawThread implements Runnable { Account account; int amount; public WithdrawThread(Account account, int amount) { this.account = account; this.amount = amount; } public void run() { for (int i = 0; i < 100000; i++) { account.withdraw(amount); } } } } |
第一次執(zhí)行結(jié)果為10200，第二次執(zhí)行結(jié)果為1060，每次執(zhí)行的結(jié)果都是不確定的，因?yàn)榫€程的執(zhí)行順序是不可預(yù)見的。這是java同步產(chǎn)生的根源，synchronized關(guān)鍵字保證了多個(gè)線程對(duì)于同步塊是互斥的，synchronized作為一種同步手段，解決java多線程的執(zhí)行有序性和內(nèi)存可見性，而volatile關(guān)鍵字之解決多線程的內(nèi)存可見性問題。后面將會(huì)詳細(xì)介紹。
synchronized關(guān)鍵字
上面說了，java用synchronized關(guān)鍵字做為多線程并發(fā)環(huán)境的執(zhí)行有序性的保證手段之一。當(dāng)一段代碼會(huì)修改共享變量，這一段代碼成為互斥區(qū)或臨界區(qū)，為了保證共享變量的正確性，synchronized標(biāo)示了臨界區(qū)。典型的用法如下：
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synchronized(鎖){ 臨界區(qū)代碼 } |
為了保證銀行賬戶的安全，可以操作賬戶的方法如下：
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public synchronized void add(int num) { balance = balance + num; } public synchronized void withdraw(int num) { balance = balance - num; } |
剛才不是說了synchronized的用法是這樣的嗎：
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synchronized(鎖){ 臨界區(qū)代碼 } |
那么對(duì)于public synchronized void add(int num)這種情況，意味著什么呢？其實(shí)這種情況，鎖就是這個(gè)方法所在的對(duì)象。同理，如果方法是public static synchronized void add(int num)，那么鎖就是這個(gè)方法所在的class。
理論上，每個(gè)對(duì)象都可以做為鎖，但一個(gè)對(duì)象做為鎖時(shí)，應(yīng)該被多個(gè)線程共享，這樣才顯得有意義，在并發(fā)環(huán)境下，一個(gè)沒有共享的對(duì)象作為鎖是沒有意義的。假如有這樣的代碼：
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public class ThreadTest{ public void test(){ Object lock=new Object(); synchronized (lock){ //do something } } } |
lock變量作為一個(gè)鎖存在根本沒有意義，因?yàn)樗静皇枪蚕韺?duì)象，每個(gè)線程進(jìn)來都會(huì)執(zhí)行Object lock=new Object();每個(gè)線程都有自己的lock，根本不存在鎖競爭。
每個(gè)鎖對(duì)象都有兩個(gè)隊(duì)列，一個(gè)是就緒隊(duì)列，一個(gè)是阻塞隊(duì)列，就緒隊(duì)列存儲(chǔ)了將要獲得鎖的線程，阻塞隊(duì)列存儲(chǔ)了被阻塞的線程，當(dāng)一個(gè)被線程被喚醒(notify)后，才會(huì)進(jìn)入到就緒隊(duì)列，等待cpu的調(diào)度。當(dāng)一開始線程a第一次執(zhí)行account.add方法時(shí)，jvm會(huì)檢查鎖對(duì)象account的就緒隊(duì)列是否已經(jīng)有線程在等待，如果有則表明account的鎖已經(jīng)被占用了，由于是第一次運(yùn)行，account的就緒隊(duì)列為空，所以線程a獲得了鎖，執(zhí)行account.add方法。如果恰好在這個(gè)時(shí)候，線程b要執(zhí)行account.withdraw方法，因?yàn)榫€程a已經(jīng)獲得了鎖還沒有釋放，所以線程b要進(jìn)入account的就緒隊(duì)列，等到得到鎖后才可以執(zhí)行。
一個(gè)線程執(zhí)行臨界區(qū)代碼過程如下：
1 獲得同步鎖
2 清空工作內(nèi)存
3 從主存拷貝變量副本到工作內(nèi)存
4 對(duì)這些變量計(jì)算
5 將變量從工作內(nèi)存寫回到主存
6 釋放鎖
可見，synchronized既保證了多線程的并發(fā)有序性，又保證了多線程的內(nèi)存可見性。
生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式
生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式其實(shí)是一種很經(jīng)典的線程同步模型，很多時(shí)候，并不是光保證多個(gè)線程對(duì)某共享資源操作的互斥性就夠了，往往多個(gè)線程之間都是有協(xié)作的。
假設(shè)有這樣一種情況，有一個(gè)桌子，桌子上面有一個(gè)盤子，盤子里只能放一顆雞蛋，A專門往盤子里放雞蛋，如果盤子里有雞蛋，則一直等到盤子里沒雞蛋，B專門從盤子里拿雞蛋，如果盤子里沒雞蛋，則等待直到盤子里有雞蛋。其實(shí)盤子就是一個(gè)互斥區(qū)，每次往盤子放雞蛋應(yīng)該都是互斥的，A的等待其實(shí)就是主動(dòng)放棄鎖，B等待時(shí)還要提醒A放雞蛋。
如何讓線程主動(dòng)釋放鎖
很簡單，調(diào)用鎖的wait()方法就好。wait方法是從Object來的，所以任意對(duì)象都有這個(gè)方法。看這個(gè)代碼片段：
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Object lock=new Object();//聲明了一個(gè)對(duì)象作為鎖 synchronized (lock) { balance = balance - num; //這里放棄了同步鎖，好不容易得到，又放棄了 lock.wait(); } |
如果一個(gè)線程獲得了鎖lock，進(jìn)入了同步塊，執(zhí)行l(wèi)ock.wait()，那么這個(gè)線程會(huì)進(jìn)入到lock的阻塞隊(duì)列。如果調(diào)用lock.notify()則會(huì)通知阻塞隊(duì)列的某個(gè)線程進(jìn)入就緒隊(duì)列。
聲明一個(gè)盤子，只能放一個(gè)雞蛋
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import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class Plate { List<Object> eggs = new ArrayList<Object>(); public synchronized Object getEgg() { if (eggs.size() == 0) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { } } Object egg = eggs.get(0); eggs.clear();// 清空盤子 notify();// 喚醒阻塞隊(duì)列的某線程到就緒隊(duì)列 System.out.println("拿到雞蛋"); return egg; } public synchronized void putEgg(Object egg) { if (eggs.size() > 0) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { } } eggs.add(egg);// 往盤子里放雞蛋 notify();// 喚醒阻塞隊(duì)列的某線程到就緒隊(duì)列 System.out.println("放入雞蛋"); } static class AddThread extends Thread{ private Plate plate; private Object egg=new Object(); public AddThread(Plate plate){ this.plate=plate; } public void run(){ for(int i=0;i<5;i++){ plate.putEgg(egg); } } } static class GetThread extends Thread{ private Plate plate; public GetThread(Plate plate){ this.plate=plate; } public void run(){ for(int i=0;i<5;i++){ plate.getEgg(); } } } public static void main(String args[]){ try { Plate plate=new Plate(); Thread add=new Thread(new AddThread(plate)); Thread get=new Thread(new GetThread(plate)); add.start(); get.start(); add.join(); get.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("測試結(jié)束"); } } |
執(zhí)行結(jié)果：
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放入雞蛋
拿到雞蛋
放入雞蛋
拿到雞蛋
放入雞蛋
拿到雞蛋
放入雞蛋
拿到雞蛋
放入雞蛋
拿到雞蛋
測試結(jié)束
聲明一個(gè)Plate對(duì)象為plate，被線程A和線程B共享，A專門放雞蛋，B專門拿雞蛋。假設(shè)
1 開始，A調(diào)用plate.putEgg方法，此時(shí)eggs.size()為0，因此順利將雞蛋放到盤子，還執(zhí)行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊(duì)列的線程，此時(shí)阻塞隊(duì)列還沒有線程。
2 又有一個(gè)A線程對(duì)象調(diào)用plate.putEgg方法，此時(shí)eggs.size()不為0，調(diào)用wait()方法，自己進(jìn)入了鎖對(duì)象的阻塞隊(duì)列。
3 此時(shí)，來了一個(gè)B線程對(duì)象，調(diào)用plate.getEgg方法，eggs.size()不為0，順利的拿到了一個(gè)雞蛋，還執(zhí)行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊(duì)列的線程，此時(shí)阻塞隊(duì)列有一個(gè)A線程對(duì)象，喚醒后，它進(jìn)入到就緒隊(duì)列，就緒隊(duì)列也就它一個(gè)，因此馬上得到鎖，開始往盤子里放雞蛋，此時(shí)盤子是空的，因此放雞蛋成功。
4 假設(shè)接著來了線程A，就重復(fù)2；假設(shè)來料線程B，就重復(fù)3。
整個(gè)過程都保證了放雞蛋，拿雞蛋，放雞蛋，拿雞蛋。
volatile關(guān)鍵字
volatile是java提供的一種同步手段，只不過它是輕量級(jí)的同步，為什么這么說，因?yàn)関olatile只能保證多線程的內(nèi)存可見性，不能保證多線程的執(zhí)行有序性。而最徹底的同步要保證有序性和可見性，例如synchronized。任何被volatile修飾的變量，都不拷貝副本到工作內(nèi)存，任何修改都及時(shí)寫在主存。因此對(duì)于Valatile修飾的變量的修改，所有線程馬上就能看到，但是volatile不能保證對(duì)變量的修改是有序的。什么意思呢？假如有這樣的代碼：
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public class VolatileTest{ public volatile int a; public void add(int count){ a=a+count; } } |
當(dāng)一個(gè)VolatileTest對(duì)象被多個(gè)線程共享，a的值不一定是正確的，因?yàn)閍=a+count包含了好幾步操作，而此時(shí)多個(gè)線程的執(zhí)行是無序的，因?yàn)闆]有任何機(jī)制來保證多個(gè)線程的執(zhí)行有序性和原子性。volatile存在的意義是，任何線程對(duì)a的修改，都會(huì)馬上被其他線程讀取到，因?yàn)橹苯硬僮髦鞔妫瑳]有線程對(duì)工作內(nèi)存和主存的同步。所以，volatile的使用場景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 變量替代鎖。要使 volatile 變量提供理想的線程安全,必須同時(shí)滿足下面兩個(gè)條件:
1)對(duì)變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值。
2)該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
volatile只保證了可見性，所以Volatile適合直接賦值的場景，如
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public class VolatileTest{ public volatile int a; public void setA(int a){ this.a=a; } } |
在沒有volatile聲明時(shí)，多線程環(huán)境下，a的最終值不一定是正確的，因?yàn)閠his.a=a;涉及到給a賦值和將a同步回主存的步驟，這個(gè)順序可能被打亂。如果用volatile聲明了，讀取主存副本到工作內(nèi)存和同步a到主存的步驟，相當(dāng)于是一個(gè)原子操作。所以簡單來說，volatile適合這種場景：一個(gè)變量被多個(gè)線程共享，線程直接給這個(gè)變量賦值。這是一種很簡單的同步場景，這時(shí)候使用volatile的開銷將會(huì)非常小。
以上所述是小編給大家介紹的Java線程安全問題小結(jié)，希望對(duì)大家有所幫助，如果大家有任何疑問請(qǐng)給我留言，小編會(huì)及時(shí)回復(fù)大家的。在此也非常感謝大家對(duì)服務(wù)器之家網(wǎng)站的支持！
