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Java 内存模型

发布时间:2019-07-07 18:06 来源:未知 编辑:admin

  Java 内存模型(JMM)是一种抽象的概念,并不真实存在,它描述了一组规则或规范,通过这组规范定义了程序中各个变量(包括实例字段、静态字段和构成数组对象的元素)的访问方式。试图屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异,以实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

  处理器上的寄存器的读写的速度比内存快几个数量级,为了解决这种速度矛盾,在它们之间加入了高速缓存。

  加入高速缓存带来了一个新的问题:缓存一致性。如果多个缓存共享同一块主内存区域,那么多个缓存的数据可能会不一致,需要一些协议来解决这个问题。

  所有的变量都存储在主内存中,每个线程还有自己的工作内存,工作内存存储在高速缓存或者寄存器中,保存了该线程使用的变量的主内存副本拷贝。

  线程只能直接操作工作内存中的变量,不同线程之间的变量值传递需要通过主内存来完成。

  有一个错误认识就是,int 等原子性的类型在多线程环境中不会出现线程安全问题。前面的线程不安全示例代码中,cnt 属于 int 类型变量,1000 个线程对它进行自增操作之后,得到的值为 997 而不是 1000。

  为了方便讨论,将内存间的交互操作简化为 3 个:load、assign、store。

  下图演示了两个线程同时对 cnt 进行操作,load、assign、store 这一系列操作整体上看不具备原子性,那么在 T1 修改 cnt 并且还没有将修改后的值写入主内存,T2 依然可以读入旧值。可以看出,这两个线程虽然执行了两次自增运算,但是主内存中 cnt 的值最后为 1 而不是 2。因此对 int 类型读写操作满足原子性只是说明 load、assign、store 这些单个操作具备原子性。

  使用 AtomicInteger 重写之前线程不安全的代码之后得到以下线程安全实现:

  除了使用原子类之外,也可以使用 synchronized 互斥锁来保证操作的原子性。它对应的内存间交互操作为:lock 和 unlock,在虚拟机实现上对应的字节码指令为 monitorenter 和 monitorexit。

  可见性指当一个线程修改了共享变量的值,其它线程能够立即得知这个修改。Java 内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存,在变量读取前从主内存刷新变量值来实现可见性的。JMM 内部的实现通常是依赖于所谓的内存屏障,通过禁止某些重排序的方式,提供内存可见性保证,也就是实现了各种 happen-before 规则。与此同时,更多复杂度在于,需要尽量确保各种编译器、各种体系结构的处理器,都能够提供一致的行为。

  synchronized,对一个变量执行 unlock 操作之前,必须把变量值同步回主内存。

  final,被 final 关键字修饰的字段在构造器中一旦初始化完成,并且没有发生 this 逃逸(其它线程通过 this 引用访问到初始化了一半的对象),那么其它线程就能看见 final 字段的值。

  对前面的线程不安全示例中的 cnt 变量使用 volatile 修饰,不能解决线程不安全问题,因为 volatile 并不能保证操作的原子性。

  有序性是指:在本线程内观察,所有操作都是有序的。在一个线程观察另一个线程,所有操作都是无序的,无序是因为发生了指令重排序。在 Java 内存模型中,允许编译器和处理器对指令进行重排序,重排序过程不会影响到单线程程序的执行,却会影响到多线程并发执行的正确性。

  volatile 关键字通过添加内存屏障的方式来禁止指令重排,即重排序时不能把后面的指令放到内存屏障之前。

  也可以通过 synchronized 来保证有序性,它保证每个时刻只有一个线程执行同步代码,相当于是让线程顺序执行同步代码。

  JSR-133内存模型使用先行发生原则在Java内存模型中保证多线程操作可见性的机制,也是对早期语言规范中含糊的可见性概念的一个精确定义。上面提到了可以用 volatile 和 synchronized 来保证有序性。除此之外,JVM 还规定了先行发生原则,让一个操作无需控制就能先于另一个操作完成。

  由于指令重排序的存在,两个操作之间有happen-before关系,并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行。仅仅要求前一个操作的执行结果对于后一个操作是可见的,并且前一个操作按顺序排在第二个操作之前。

  一个 unlock(解锁) 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock(加锁) 操作。

  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。

  Thread 对象的start()方法调用先行发生于此线程的每一个动作。

  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 interrupted() 方法检测到是否有中断发生。

  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。

  如果操作 A 先行发生于操作 B,操作 B 先行发生于操作 C,那么操作 A 先行发生于操作 C。

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