Week 1 - Java 多线程 - Java 内存模型

前言

学习情况记录

时间：week 1
SMART子目标：Java 多线程

学习Java多线程，要了解多线程可能出现的并发现象，了解Java内存模型的知识是必不可少的。

对学习到的重要知识点进行的记录。

注：这里提到的是Java内存模型，是和并发编程相关的，不是JVM内存结构（堆、方法栈这些概念），这两个不是一回事，别弄混了。

Java 内存模型

Java内存模型（Java Memory Model ,JMM）就是一种符合内存模型规范的，屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能得到一致效果的机制及规范。目的是解决由于多线程通过共享内存进行通信时，存在的原子性、可见性（缓存一致性）以及有序性问题。

主内存与工作内存

先看计算机硬件的缓存访问操作：

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。

Java的内存访问操作与上述的硬件缓存具有很高的可比性：

Java内存模型中，规定了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。

内存间交互操作

Java 内存模型定义了 8 个操作来完成主内存和工作内存的交互操作

read：把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中
load：在 read 之后执行，把 read 得到的值放入线程的工作内存的变量副本中
use：把线程的工作内存中一个变量的值传递给执行引擎
assign：把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量
store：把工作内存的一个变量的值传送到主内存中
write：在 store 之后执行，把 store 得到的值放入主内存的变量中
lock：作用于主内存的变量，把一个变量标识成一条线程独占的状态
unlock: 作用于主内存的变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。

内存模型三大特性

原子性

Java 内存模型保证了 read、load、use、assign、store、write、lock 和 unlock 操作具有原子性，例如对一个 int 类型的变量执行 assign 赋值操作，这个操作就是原子性的。但是 Java 内存模型允许虚拟机将没有被 volatile 修饰的 64 位数据（long，double）的读写操作划分为两次 32 位的操作来进行，也就是说基本数据类型的访问读写是原子性的，除了long和double是非原子性的，**即 load、store、read 和write 操作可以不具备原子性。**书上提醒我们只需要知道有这么一回事，因为这个是几乎不可能存在的例外情况。

虽然上面说对基本数据类型的访问读写是原子性的，但是不代表在多线程环境中，如int类型的变量不会出现线程安全问题。详细的例子可以参考***范例一***。

想要保证原子性，可以尝试以下几种方式：

如果是基础类型的变量的话，使用Atomic类（例如AtomicInteger）
其他情况下，可以使用synchronized互斥锁来保证限定临界区内操作的原子性。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

可见性指的是，当一个线程修改了共享变量中的值，其他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。

可见性的错误问题范例比较难以模拟，有兴趣的可以借助此篇文章更好的理解。

想要保证可见性，主要有三种实现方式：

volatile
- Java的内存分主内存和线程工作内存，volatile保证修改立即由当前线程工作内存同步到主内存，但其他线程仍需要从主内存取才能保证线程同步。
synchronized
- 当线程获取锁时会从主内存中获取共享变量的最新值，释放锁的时候会将共享变量同步到主内存中。最多只有一个线程能持有锁。
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。

范例一中的 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

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。

想要保证可见性，主要以下实现方式：

volatile
- volatile的真正意义在于产生内存屏障，禁止指令重排序。 即重排序时不能把后面的指令放到内存屏障之前。
synchronized
- 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。

有序性这块比较难比较深的内容实际上是指令重排序这块的知识。我这就借花献佛，引一篇我认为讲的比较清楚的文章。内存模型之重排序

先行发生原则

JVM 内存模型下，规定了先行发生原则，让一个操作无需任何同步器协助就能先于另一个操作完成。 如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来的话，它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对他们随意的进行重排序。

单一线程规则 - Single Thread Rule
- 在其他书上又叫 Program Order Rule - 程序次序规则
- 在一个线程中，在线程前面的操作先行发生于后面的操作。（准确的来说，是控制流顺序，而不是代码顺序，因为或有逻辑判断分支）
管道锁定规则 - Monitor Lock Rule
- 一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。
volatile 变量规则 - Volatile Variable Rule
- 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
线程启动规则 - Thread Start Rule
- Thread 对象的 start() 方法调用先行发生于此线程的每一个动作。
线程加入规则 - Thread Join Rule
- Thread 对象的结束先行发生于 join() 方法返回。
线程中断规则 - Thread Interruption Rule
- 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。
对象终结规则- Finalizer Rule
- 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。
传递性 - Transitivity
- 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。

在多线程情况下，时间先后顺序和先行发生原则之间基本没有太大的关系，我们衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的告饶，一切必须以先行发生原则为准。

插入案例帮助理解

案例一

代码

/**
 * 内存模型三大特性 - 原子性验证对比
 *
 * @author Richard_yyf
 * @version 1.0 2019/7/2
 */
public class AtomicExample {

    private static AtomicInteger atomicCount = new AtomicInteger();

    private static int count = 0;

    private static void add() {
        atomicCount.incrementAndGet();
        count++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        final int threadSize = 1000;
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
            executor.execute(() -> {
                add();
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        System.out.println("atomicCount: " + atomicCount);
        System.out.println("count: " + count);

        ThreadPoolUtil.tryReleasePool(executor);
    }
}

Outout

atomicCount: 1000
count: 997

分析

可以借助下图帮助理解。

count++这个简单的操作根据上面的原理分析，可以知道内存操作实际分为读写存三步；因为读写存这个整体的操作，不具备原子性，count被两个或多个线程读入了同样的旧值，读到线程内存当中，再进行写操作，再存回去，那么就可能出现主内存被重复set同一个值的情况，如上图所示，两个线程进行了count++，实际上只进行了一次有效操作。

案例二

代码

class Foo {
    private int x = 100;

    public int getX() {
        return x;
    } 

    public int fix(int y) {
        x = x - y; 
        return x;
    } 
}


 public class MyRunnable implements Runnable {
    private Foo foo =new Foo(); 

    public static void main(String[] args) {
        MyRunnable r = new MyRunnable();
        Thread ta = new Thread(r,"Thread-A"); 
        Thread tb = new Thread(r,"Thread-B"); 
        ta.start(); 
        tb.start(); 
    } 

    public  void run() {
        
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            this.fix(30);
            try {
                Thread.sleep(1); 
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace(); 
            } 
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " :当前foo对象的x值= " + foo.getX());
        } 
    } 

    public int fix(int y) {
        return foo.fix(y);
    } 
}

Output

Thread-A:当前foo对象的的x值= 70
Thread-B:当前foo对象的的x值= 70
Thread-A:当前foo对象的的x值= 10
Thread-B:当前foo对象的的x值= 10
Thread-A:当前foo对象的的x值= -50
Thread-B:当前foo对象的的x值= -50

分析

这个案例是案例一的变体，只是代码有点复杂有点绕而已，实际上就是存在两个线程，对一个实例的共享变量进行-30的操作。

read 的操作发生在x-y的x处，相当于两个线程第一次fix(30)的时候，对x变量做了两次100-30的赋值操作。

案例三

public class Test {
   	// 是否是原子性？
    int i = 1;
    public static void main(String[] args) {
    	Test test = new Test();
    }
}

请问上述 int i = 1是否是原子性的呢？

实际上很微妙。

本案例中的int a = 1在java中叫显式初始化，它实际上包含两次赋值，第一次java自动将a初始化为0，第二次再赋值为1。从这个角度看，这条语句包含了两步操作，并不是原子的。

但是由于这句代码是在构造方法中，而从类的实例化角度看，一般认为构造方法中对当前实例的初始化过程是原子的。这是因为在实例化完成之前，一般是无法从别的代码中访问到当前实例的。所以从这个角度看，int a = 1实际上是原子的。

参考

《深入理解Java虚拟机》
juejin.cn/post/684490…
ifeve.com/concurrency…