淺談java內(nèi)存模型
不同的平臺(tái)，內(nèi)存模型是不一樣的，但是jvm的內(nèi)存模型規(guī)范是統(tǒng)一的。其實(shí)java的多線程并發(fā)問題最終都會(huì)反映在java的內(nèi)存模型上，所謂線程安全無非是要控制多個(gè)線程對(duì)某個(gè)資源的有序訪問或修改。總結(jié)java的內(nèi)存模型，要解決兩個(gè)主要的問題：可見性和有序性。我們都知道計(jì)算機(jī)有高速緩存的存在，處理器并不是每次處理數(shù)據(jù)都是取內(nèi)存的。JVM定義了自己的內(nèi)存模型，屏蔽了底層平臺(tái)內(nèi)存管理細(xì)節(jié)，對(duì)于java開發(fā)人員，要清楚在jvm內(nèi)存模型的基礎(chǔ)上，如果解決多線程的可見性和有序性。
那么，何謂可見性？ 多個(gè)線程之間是不能互相傳遞數(shù)據(jù)通信的，它們之間的溝通只能通過共享變量來進(jìn)行。Java內(nèi)存模型（JMM）規(guī)定了jvm有主內(nèi)存，主內(nèi)存是多個(gè)線程共享的。當(dāng)new一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，也是被分配在主內(nèi)存中，每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存存儲(chǔ)了主存的某些對(duì)象的副本，當(dāng)然線程的工作內(nèi)存大小是有限制的。當(dāng)線程操作某個(gè)對(duì)象時(shí)，執(zhí)行順序如下：
(1) 從主存復(fù)制變量到當(dāng)前工作內(nèi)存 (read and load)
(2) 執(zhí)行代碼，改變共享變量值 (use and assign)
(3) 用工作內(nèi)存數(shù)據(jù)刷新主存相關(guān)內(nèi)容 (store and write)
JVM規(guī)范定義了線程對(duì)主存的操作指令：read，load，use，assign，store，write。當(dāng)一個(gè)共享變量在多個(gè)線程的工作內(nèi)存中都有副本時(shí)，如果一個(gè)線程修改了這個(gè)共享變量，那么其他線程應(yīng)該能夠看到這個(gè)被修改后的值，這就是多線程的可見性問題。
那么，什么是有序性呢 ？線程在引用變量時(shí)不能直接從主內(nèi)存中引用,如果線程工作內(nèi)存中沒有該變量,則會(huì)從主內(nèi)存中拷貝一個(gè)副本到工作內(nèi)存中,這個(gè)過程為read-load,完成后線程會(huì)引用該副本。當(dāng)同一線程再度引用該字段時(shí),有可能重新從主存中獲取變量副本(read-load-use),也有可能直接引用原來的副本(use),也就是說 read,load,use順序可以由JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決定。
線程不能直接為主存中中字段賦值，它會(huì)將值指定給工作內(nèi)存中的變量副本(assign),完成后這個(gè)變量副本會(huì)同步到主存儲(chǔ)區(qū)(store-write)，至于何時(shí)同步過去，根據(jù)JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決定.有該字段,則會(huì)從主內(nèi)存中將該字段賦值到工作內(nèi)存中,這個(gè)過程為read-load,完成后線程會(huì)引用該變量副本，當(dāng)同一線程多次重復(fù)對(duì)字段賦值時(shí),比如：
for(int i=0;i<10;i++)a++;
線程有可能只對(duì)工作內(nèi)存中的副本進(jìn)行賦值,只到最后一次賦值后才同步到主存儲(chǔ)區(qū)，所以assign,store,weite順序可以由JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決定。假設(shè)有一個(gè)共享變量x，線程a執(zhí)行x=x+1。從上面的描述中可以知道x=x+1并不是一個(gè)原子操作，它的執(zhí)行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內(nèi)存
2 給x加1
3 將x加1后的值寫回主 存
如果另外一個(gè)線程b執(zhí)行x=x-1，執(zhí)行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內(nèi)存
2 給x減1
3 將x減1后的值寫回主存
那么顯然，最終的x的值是不可靠的。假設(shè)x現(xiàn)在為10，線程a加1，線程b減1，從表面上看，似乎最終x還是為10，但是多線程情況下會(huì)有這種情況發(fā)生：
1：線程a從主存讀取x副本到工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中x值為10
2：線程b從主存讀取x副本到工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中x值為10
3：線程a將工作內(nèi)存中x加1，工作內(nèi)存中x值為11
4：線程a將x提交主存中，主存中x為11
5：線程b將工作內(nèi)存中x值減1，工作內(nèi)存中x值為9
6：線程b將x提交到中主存中，主存中x為9
同樣，x有可能為11，如果x是一個(gè)銀行賬戶，線程a存款，線程b扣款，顯然這樣是有嚴(yán)重問題的，要解決這個(gè)問題，必須保證線程a和線程b是有序執(zhí)行的，并且每個(gè)線程執(zhí)行的加1或減1是一個(gè)原子操作?？纯聪旅娲a：
public class Account {private int balance;public Account(int balance) {this.balance = balance;}public int getBalance() {return balance;}public void add(int num) {balance = balance + num;}public void withdraw(int num) {balance = balance - num;}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Account account = new Account(1000);Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");a.start();b.start();a.join();b.join();System.out.println(account.getBalance());}static class AddThread implements Runnable {Account account;int amount;public AddThread(Account account, int amount) {this.account = account;this.amount = amount;}public void run() {for (int i = 0; i < 200000; i++) {account.add(amount);}}}static class WithdrawThread implements Runnable {Account account;int amount;public WithdrawThread(Account account, int amount) {this.account = account;this.amount = amount;}public void run() {for (int i = 0; i < 100000; i++) {account.withdraw(amount);}}}}
第一次執(zhí)行結(jié)果為10200，第二次執(zhí)行結(jié)果為1060，每次執(zhí)行的結(jié)果都是不確定的，因?yàn)榫€程的執(zhí)行順序是不可預(yù)見的。這是java同步產(chǎn)生的根源，synchronized關(guān)鍵字保證了多個(gè)線程對(duì)于同步塊是互斥的，synchronized作為一種同步手段，解決java多線程的執(zhí)行有序性和內(nèi)存可見性，而volatile關(guān)鍵字之解決多線程的內(nèi)存可見性問題。后面將會(huì)詳細(xì)介紹。
synchronized關(guān)鍵字
上面說了，java用synchronized關(guān)鍵字做為多線程并發(fā)環(huán)境的執(zhí)行有序性的保證手段之一。當(dāng)一段代碼會(huì)修改共享變量，這一段代碼成為互斥區(qū)或臨界區(qū)，為了保證共享變量的正確性，synchronized標(biāo)示了臨界區(qū)。典型的用法如下：
synchronized(鎖){臨界區(qū)代碼}
為了保證銀行賬戶的安全，可以操作賬戶的方法如下：
public synchronized void add(int num) {balance = balance + num;}public synchronized void withdraw(int num) {balance = balance - num;}
剛才不是說了synchronized的用法是這樣的嗎：
synchronized(鎖){臨界區(qū)代碼}
那么對(duì)于public synchronized void add(int num)這種情況，意味著什么呢？其實(shí)這種情況，鎖就是這個(gè)方法所在的對(duì)象。同理，如果方法是public static synchronized void add(int num)，那么鎖就是這個(gè)方法所在的class。
理論上，每個(gè)對(duì)象都可以做為鎖，但一個(gè)對(duì)象做為鎖時(shí)，應(yīng)該被多個(gè)線程共享，這樣才顯得有意義，在并發(fā)環(huán)境下，一個(gè)沒有共享的對(duì)象作為鎖是沒有意義的。假如有這樣的代碼：
public class ThreadTest{public void test(){Object lock=new Object();synchronized (lock){//do something}}}
lock變量作為一個(gè)鎖存在根本沒有意義，因?yàn)樗静皇枪蚕韺?duì)象，每個(gè)線程進(jìn)來都會(huì)執(zhí)行Object lock=new Object();每個(gè)線程都有自己的lock，根本不存在鎖競(jìng)爭(zhēng)。
每個(gè)鎖對(duì)象都有兩個(gè)隊(duì)列，一個(gè)是就緒隊(duì)列，一個(gè)是阻塞隊(duì)列，就緒隊(duì)列存儲(chǔ)了將要獲得鎖的線程，阻塞隊(duì)列存儲(chǔ)了被阻塞的線程，當(dāng)一個(gè)被線程被喚醒(notify)后，才會(huì)進(jìn)入到就緒隊(duì)列，等待cpu的調(diào)度。當(dāng)一開始線程a第一次執(zhí)行account.add方法時(shí)，jvm會(huì)檢查鎖對(duì)象account的就緒隊(duì)列是否已經(jīng)有線程在等待，如果有則表明account的鎖已經(jīng)被占用了，由于是第一次運(yùn)行，account的就緒隊(duì)列為空，所以線程a獲得了鎖，執(zhí)行account.add方法。如果恰好在這個(gè)時(shí)候，線程b要執(zhí)行account.withdraw方法，因?yàn)榫€程a已經(jīng)獲得了鎖還沒有釋放，所以線程b要進(jìn)入account的就緒隊(duì)列，等到得到鎖后才可以執(zhí)行。
一個(gè)線程執(zhí)行臨界區(qū)代碼過程如下：
1 獲得同步鎖
2 清空工作內(nèi)存
3 從主存拷貝變量副本到工作內(nèi)存
4 對(duì)這些變量計(jì)算
5 將變量從工作內(nèi)存寫回到主存
6 釋放鎖
可見，synchronized既保證了多線程的并發(fā)有序性，又保證了多線程的內(nèi)存可見性。
生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式
生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式其實(shí)是一種很經(jīng)典的線程同步模型，很多時(shí)候，并不是光保證多個(gè)線程對(duì)某共享資源操作的互斥性就夠了，往往多個(gè)線程之間都是有協(xié)作的。
假設(shè)有這樣一種情況，有一個(gè)桌子，桌子上面有一個(gè)盤子，盤子里只能放一顆雞蛋，A專門往盤子里放雞蛋，如果盤子里有雞蛋，則一直等到盤子里沒雞蛋，B專門從盤子里拿雞蛋，如果盤子里沒雞蛋，則等待直到盤子里有雞蛋。其實(shí)盤子就是一個(gè)互斥區(qū)，每次往盤子放雞蛋應(yīng)該都是互斥的，A的等待其實(shí)就是主動(dòng)放棄鎖，B等待時(shí)還要提醒A放雞蛋。
如何讓線程主動(dòng)釋放鎖
很簡(jiǎn)單，調(diào)用鎖的wait()方法就好。wait方法是從Object來的，所以任意對(duì)象都有這個(gè)方法?？催@個(gè)代碼片段：
Object lock=new Object();//聲明了一個(gè)對(duì)象作為鎖synchronized (lock) {balance = balance - num;//這里放棄了同步鎖，好不容易得到，又放棄了lock.wait();}
如果一個(gè)線程獲得了鎖lock，進(jìn)入了同步塊，執(zhí)行l(wèi)ock.wait()，那么這個(gè)線程會(huì)進(jìn)入到lock的阻塞隊(duì)列。如果調(diào)用lock.notify()則會(huì)通知阻塞隊(duì)列的某個(gè)線程進(jìn)入就緒隊(duì)列。
聲明一個(gè)盤子，只能放一個(gè)雞蛋
import java.util.ArrayList;import java.util.List;public class Plate {List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();public synchronized Object getEgg() {if (eggs.size() == 0) {try {wait();} catch (InterruptedException e) {}}Object egg = eggs.get(0);eggs.clear();// 清空盤子notify();// 喚醒阻塞隊(duì)列的某線程到就緒隊(duì)列System.out.println("拿到雞蛋");return egg;}public synchronized void putEgg(Object egg) {if (eggs.size() > 0) {try {wait();} catch (InterruptedException e) {}}eggs.add(egg);// 往盤子里放雞蛋notify();// 喚醒阻塞隊(duì)列的某線程到就緒隊(duì)列System.out.println("放入雞蛋");}static class AddThread extends Thread{private Plate plate;private Object egg=new Object();public AddThread(Plate plate){this.plate=plate;}public void run(){for(int i=0;i<5;i++){plate.putEgg(egg);}}}static class GetThread extends Thread{private Plate plate;public GetThread(Plate plate){this.plate=plate;}public void run(){for(int i=0;i<5;i++){plate.getEgg();}}}public static void main(String args[]){try {Plate plate=new Plate();Thread add=new Thread(new AddThread(plate));Thread get=new Thread(new GetThread(plate));add.start();get.start();add.join();get.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("測(cè)試結(jié)束");}}執(zhí)行結(jié)果：
放入雞蛋拿到雞蛋放入雞蛋拿到雞蛋放入雞蛋拿到雞蛋放入雞蛋拿到雞蛋放入雞蛋拿到雞蛋測(cè)試結(jié)束
聲明一個(gè)Plate對(duì)象為plate，被線程A和線程B共享，A專門放雞蛋，B專門拿雞蛋。假設(shè)
1 開始，A調(diào)用plate.putEgg方法，此時(shí)eggs.size()為0，因此順利將雞蛋放到盤子，還執(zhí)行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊(duì)列的線程，此時(shí)阻塞隊(duì)列還沒有線程。
2 又有一個(gè)A線程對(duì)象調(diào)用plate.putEgg方法，此時(shí)eggs.size()不為0，調(diào)用wait()方法，自己進(jìn)入了鎖對(duì)象的阻塞隊(duì)列。
3 此時(shí)，來了一個(gè)B線程對(duì)象，調(diào)用plate.getEgg方法，eggs.size()不為0，順利的拿到了一個(gè)雞蛋，還執(zhí)行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊(duì)列的線程，此時(shí)阻塞隊(duì)列有一個(gè)A線程對(duì)象，喚醒后，它進(jìn)入到就緒隊(duì)列，就緒隊(duì)列也就它一個(gè)，因此馬上得到鎖，開始往盤子里放雞蛋，此時(shí)盤子是空的，因此放雞蛋成功。
4 假設(shè)接著來了線程A，就重復(fù)2；假設(shè)來料線程B，就重復(fù)3。
整個(gè)過程都保證了放雞蛋，拿雞蛋，放雞蛋，拿雞蛋。
volatile關(guān)鍵字
volatile是java提供的一種同步手段，只不過它是輕量級(jí)的同步，為什么這么說，因?yàn)関olatile只能保證多線程的內(nèi)存可見性，不能保證多線程的執(zhí)行有序性。而最徹底的同步要保證有序性和可見性，例如synchronized。任何被volatile修飾的變量，都不拷貝副本到工作內(nèi)存，任何修改都及時(shí)寫在主存。因此對(duì)于Valatile修飾的變量的修改，所有線程馬上就能看到，但是volatile不能保證對(duì)變量的修改是有序的。什么意思呢？假如有這樣的代碼：
public class VolatileTest{public volatile int a;public void add(int count){a=a+count;}}
當(dāng)一個(gè)VolatileTest對(duì)象被多個(gè)線程共享，a的值不一定是正確的，因?yàn)閍=a+count包含了好幾步操作，而此時(shí)多個(gè)線程的執(zhí)行是無序的，因?yàn)闆]有任何機(jī)制來保證多個(gè)線程的執(zhí)行有序性和原子性。volatile存在的意義是，任何線程對(duì)a的修改，都會(huì)馬上被其他線程讀取到，因?yàn)橹苯硬僮髦鞔?，沒有線程對(duì)工作內(nèi)存和主存的同步。所以，volatile的使用場(chǎng)景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 變量替代鎖。要使 volatile 變量提供理想的線程安全,必須同時(shí)滿足下面兩個(gè)條件:
1)對(duì)變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值。
2)該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
volatile只保證了可見性，所以Volatile適合直接賦值的場(chǎng)景，如
public class VolatileTest{public volatile int a;public void setA(int a){this.a=a;}}
在沒有volatile聲明時(shí)，多線程環(huán)境下，a的最終值不一定是正確的，因?yàn)閠his.a=a;涉及到給a賦值和將a同步回主存的步驟，這個(gè)順序可能被打亂。如果用volatile聲明了，讀取主存副本到工作內(nèi)存和同步a到主存的步驟，相當(dāng)于是一個(gè)原子操作。所以簡(jiǎn)單來說，volatile適合這種場(chǎng)景：一個(gè)變量被多個(gè)線程共享，線程直接給這個(gè)變量賦值。這是一種很簡(jiǎn)單的同步場(chǎng)景，這時(shí)候使用volatile的開銷將會(huì)非常小。
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