02|Java内存模型

可见性、原子性、有序性是并发问题的三个关键因素。

可见性:一个线程对共享变量的修改,另外一个线程能够立刻看到。 可见性问题一般由CPU缓存引起。每颗 CPU 都有自己的缓存,这时 CPU 缓存与内存的数据一致性就没那么容易解决了,当多个线程在不同的 CPU 上执行时,这些线程操作的是不同的 CPU 缓存。比如,线程 A 操作的是 CPU-1 上的缓存,而线程 B 操作的是 CPU-2 上的缓存,很明显,这个时候线程 A 对变量 V 的操作对于线程 B 而言就不具备可见性了。

原子性:一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性称为原子性,CPU 能保证的原子操作是 CPU 指令级别的,而不是高级语言的操作符。原子性问题一般由线程的切换引起。

java中的原子性:a. 基本类型的读取和赋值操作,且赋值必须是数字赋值给变量,变量之间的相互赋值不是原子性操作。b.所有引用reference的赋值操作。 c. java.concurrent.Atomic.* 包中所有类的一切操作

有序性:程序按照代码的先后顺序执行。有序性问题一般由编译优化引起。编译器为了优化性能,有时候会改变程序中语句的先后顺序。有序性有一个经典案例,双重检查创建单例对象。

双重检查单例对象

问题出在new 上,编译器优化的顺序:分配一块内存;把地址赋给变量;在内存上初始化对象。假设线程 A 先执行 getInstance() 方法,当执行完指令 2 时恰好发生了线程切换,切换到了线程 B 上;如果此时线程 B 也执行 getInstance() 方法,那么线程 B 在执行第一个判断时会发现 instance != null ,所以直接返回 instance,而此时的 instance 是没有初始化过的,触发空指针异常。

解释一下问题:为什么在new 对象的时候可以切换到线程2,不是加了synchronized吗?  原因:synchronized关键字并不是告诉线程顺序执行,只是加了锁,其他线程是不能同时运行加锁的代码块,但是可以执行其他代码块。在new的过程中,CPU执行跳转到线程2的getInstance()方法完全是可能的。

解决方式:禁止在new 的过程中指令重排。一种实现方式是对instance 进行volatile声明;通常的做法是使用静态的内部类。

静态内部类实现的单例模式


既然可见性、原子性和顺序性的问题已经知道了,那么禁用缓存和编译优化就不会有并发问题,但降低性能。要做的是按需合理禁用缓存和编译优化。

volite关键字

    原始的意思就是禁用CPU缓存。volatile关键字保证了可见性,当一个变量被volatile修饰后,表示着线程本地内存无效,当一个线程修改共享变量后他会立即被更新到主内存中,其他线程读取共享变量时,会直接从主内存中读取。    volatile关键字也可保证顺序性,但不保证原子性。

综上:(1)保证可见性,不保证原子性。a.当写一个volatile变量时,JMM会把该线程本地内存中的变量强制刷新到主内存中去;  b.这个写会操作会导致其他线程中的缓存无效(这也是volatile的写操作要happens-before读操作的原因)

    (2)禁止指令重排(保证一定的顺序性)。 执行到volatile变量时,其前面的所有语句都执行完,后面所有语句都未执行。且前面语句的结果对volatile变量及其后面语句可见。

    JVM的底层实现通过内存屏障

Happens-Before规则:前面一个操作的结果对后续操作是可见的

(1).程序次序规则:在一个线程内,按照程序代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说,应该是控制流顺序而不是程序代码顺序,因为要考虑分支、循环等结构。

(2).管程锁定规则:一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁,而"后面"是指时间上的先后顺序。

(3).volatile变量规则:对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作,这里的"后面"同样是指时间上的先后顺序。

(4).线程启动规则:Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。

(5).线程终止规则:线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。

(6).线程中断规则:对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生,可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。

(7).对象终结规则:一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的finalize()方法的开始


课后小题:在一个线程里设置了 abc 的值 abc=3,有哪些办法可以让其他线程能够看到abc==3?

小结:1.变量声明为volatile    2.加锁(synchronized也是加锁的一种方式)    3.线程一与线程二之间加入join(),根据happens-before原则,线程1中执行的对join可见的,而根据次序规则,join对线程二是可见的,根据传递性,线程1的操作对线程2可见。4.加final关键字(必须保证变量不需要改变)

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