多线程—Java内存模型

2023-09-22 23:21:24

Java内存模型，JMM(Java Memory Model)。

概念：Java内存模型定义了final、volatile和synchronized关键字的行为并确保正确同步的Java程序能够正确运行在不同架构的处理器上。

作用：主要解决三个方面的问题

原子性问题
可见性问题
有序性问题

分析：

原子性：保证指令不会受到线程上下文切换的影响。

理解：

【原子】：字面意思是不可分割的意思，如果一个线程访问共享变量的操作，在其它线程看来是不可分割的，那么该操作就是原子操作，这个操作就具有原子性。

【不可分割】：当一个线程访问共享变量的操作，在其他线程看来，这个操作要么执行结束，要么没有发生，其他线程无法看到该线程访问时的中间过程，讲到这里，是否让你联想到了MySQL数据库事务的原子性。另外，访问同一组共享变量的原子操作是不能够被交错的。

注意：
- 原子操作是针对访问共享变量的操作而言的。对于局部变量的访问，无所谓其是否是原子的。
- 原子操作是从该操作线程以外的线程来描述的，所以，在多线程环境下才会有意义。
实现原理：
- 锁：锁具有排他性，它能保证一个共享变量在任意时刻只能被一个线程访问（竞态消除）。
- CAS（Compare -and-Swap）：它实现原子性的方式和锁实现原子性的方式实质上是一样的，差别在于，锁通常是在软件层面实现，而CAS直接在硬件（处理器和内存）层面实现，也就是俗称的”硬件锁“。
常见的原子操作：

基础类型中，除了long和double意外，其它基础类型变量的写操作都是原子操作。long和double类型变量的写操作，需要用到关键字volatile实现写的原子性。

2、可见性

概念：可见性就是指一个线程对共享变量的更新结果，对于读取相应共享变量的线程是否可见。

实质：保证指令不受cpu缓存的影响。

示例展示：

@Slf4j
public class TestOne {
    //创建一个标记
    static boolean run = true;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(()->{
            //当标记为假 线程结束
            while(run){
				
            }
        },"t");
        t.start();
        sleep(1000);
        //更改标记 退出循环
        run = false;
        log.debug("标记已更改");
    }
}

运行结果展示：

虽然标记已经被更改了，但是线程还是一直在循环，没有结束。

接下来分析一下程序执行的过程：

分析之前大家应该要知道，Java内存模型把内存分为主存和工作内存：

主存：存储共享信息的内存。
工作内存：每个线程存储私有信息的内存。

初始状态：主内存存储共享变量run，t线程从主内存中读取run变量的值到工作内存。

2. 示例代码的while循环中，t线程会不断的从主线程读取run的值，JIT编译器会将run变量的值缓存到自己工作内存的告诉缓存中，减少对主内存的访问，提升效率。

3. 主线程sleep一秒之后，修改了run的值，并同步到主内存，但是t线程还是从自己的工作内存里面读取run的值，此时读取到的值没有得到更新，所以线程不会结束。

解决方式：

使用volatile关键字，使得t线程读取run变量时，就不会去自己的工作内存中读取，而是去主存中读取，run变量得到了即使的更新。

@Slf4j
public class TestOne {
    //创建一个标记,加上volatile关键字
    static volatile boolean run = true;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(()->{
            //当标记为假 线程结束
            while(run){
				
            }
        },"t");
        t.start();
        sleep(1000);
        //更改标记 退出循环
        run = false;
        log.debug("标记已更改");
    }
}

2. 使用synchronized关键字，下面这段代码，如果去掉synchronized，那么线程将不会停止，而加上锁，就会实现volatile关键字一样的效果。

@Slf4j
public class TestOne {
    //创建一个标记，去掉了volatile
    static boolean run = true;
    //创建一个对象
    final static Object object = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(()->{
            while(true) {
                synchronized (object) {
                    if (!run) {
                        break;
                    }
                }
            }
        },"t");
        t.start();
        sleep(1000);
        //更改标记 退出循环
        run = false;
        log.debug("标记已更改");
    }
}

两种解决方式比较：

解决可见性问题使用volatile关键字更加轻量级一点，使用synchronized同步代码块代价更高，因为还要创建Monitor。

volatile的特点：

volatile只能保证变量的可见性，不能保证原子性。
synchronized既能保证代码块的原子性，也能保证代码块内变量的可见性，但是属于重量级操作，性能相对较低。

3、有序性

概念：有时一个处理器上运行的一个线程所执行的内存访问操作，在另外一个处理器上运行的其它线程看来是乱序的。

指令重排序：在源码顺序与程序顺序不一致，或者程序顺序与执行顺序不一致的情况下，就是发生了指令重排序。

解决指令重排序：创建变量时加上volatile关键字，在代码使用的时候，使用到该变量的代码行之前的代码无法进行指令重排序。

理解volatile保证可见性的原理：volatile底层实现原理是内存屏障。

对volatile变量的写指令后会加入写屏障。
对volatile变量的读指令前会加入读屏障。

理解保证可见性的写/读屏障：
- 写屏障保证在该屏障之前，对共享变量的改动，都同步到主存中，不仅是加了volatile关键字的共享变量，写屏障之前的所有共享变量。
- 读屏障保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主内存中的最新数据。

理解volatile保证有序性的原理：

理解保证可见性的写/读屏障：

写屏障会保证指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后。
读屏障会保证指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排到读屏障之前。

注意：只能而解决本线程的指令重排，解决不了线程之间的指令重排。

码农公寓

相关文章