并发编程-共享模型之内存

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Java 内存模型

JMM 即 Java Memory Model,它定义了主存、工作内存抽象概念,底层对应着 CPU 寄存器、缓存、硬件内存、 CPU 指令优化等。

JMM的意义

  • 计算机硬件底层的内存结构过于复杂,JMM的意义在于避免程序员直接管理计算机底层内存,用一些关键字synchronized、volatile等可以方便的管理内存。

JMM 体现在以下几个方面

  • 原子性 - 保证指令不会受到线程上下文切换的影响

  • 可见性 - 保证指令不会受 cpu 缓存的影响

  • 有序性 - 保证指令不会受 cpu 指令并行优化的影响

可见性

退不出的循环

先来看一个现象,main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见,导致了 t 线程无法停止:

static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t = new Thread(()->{
        while(run){
            // ....
        }
    });
    t.start();
    sleep(1);
    run = false; // 线程t不会如预想的停下来
}

为什么呢?分析一下:

  1. 初始状态, t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存。

  2. 因为 t 线程要频繁从主内存中读取 run 的值,JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中, 减少对主存中 run 的访问,提高效率

  3. 1 秒之后,main 线程修改了 run 的值,并同步至主存,而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量 的值,结果永远是旧值

解决方法

volatile(易变关键字)

它可以用来修饰成员变量和静态成员变量,他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值,必须到主存中获取 它的值,线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。

可见性 vs 原子性

前面例子体现的实际就是可见性,它保证的是在多个线程之间,一个线程对 volatile 变量的修改对另一个线程可 见, 不能保证原子性,仅用在一个写线程,多个读线程的情况: 上例从字节码理解是这样的:

getstatic run // 线程 t 获取 run true 
getstatic run // 线程 t 获取 run true 
getstatic run // 线程 t 获取 run true 
getstatic run // 线程 t 获取 run true 
putstatic run // 线程 main 修改 run 为 false, 仅此一次
getstatic run // 线程 t 获取 run false 

比较一下之前我们将线程安全时举的例子:两个线程一个 i++ 一个 i-- ,只能保证看到最新值,不能解决指令交错

// 假设i的初始值为0 
getstatic i // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0 
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0 
iconst_1 // 线程1-准备常量1 
iadd // 线程1-自增 线程内i=1 
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1 
iconst_1 // 线程2-准备常量1 
isub // 线程2-自减 线程内i=-1 
putstatic i // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1 

注意

synchronized 语句块既可以保证代码块的原子性,也同时保证代码块内变量的可见性。但缺点是 synchronized 是属于重量级操作,性能相对更低 。

JMM关于synchronized的两条规定:

  1)线程解锁前,必须把共享变量的最新值刷新到主内存中

  2)线程加锁时,将清空工作内存中共享变量的值,从而使用共享变量时需要从主内存中重新获取最新的值

   (注意:加锁与解锁需要是同一把锁)

通过以上两点,可以看到synchronized能够实现可见性。同时,由于synchronized具有同步锁,所以它也具有原子性

如果在前面示例的死循环中加入 System.out.println() 会发现即使不加 volatile 修饰符,线程 t 也能正确看到 对 run 变量的修改了,想一想为什么?(println方法中有synchronized代码块保证了可见性)

synchronized关键字不能阻止指令重排,但在一定程度上能保证有序性(如果共享变量没有逃逸出同步代码块的话)。因为在单线程的情况下指令重排不影响结果,相当于保障了有序性。