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這篇文章主要介紹了Java內(nèi)存模型原子性原理的示例分析,具有一定借鑒價(jià)值,感興趣的朋友可以參考下,希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲,下面讓小編帶著大家一起了解一下。
原子性問題
原子性是指:一個(gè)或多個(gè)操作,要么全部執(zhí)行且在執(zhí)行過程中不被任何因素打斷,要么全部不執(zhí)行。
下面就是一段會(huì)出現(xiàn)原子性問題的代碼:
public class AtomicProblem { private static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AtomicProblem.class); public static final int THREAD_COUNT = 10; public static void main(String[] args) throws Exception { BankAccount sharedAccount = new BankAccount("account-csx",0.00); ArrayList<Thread> threads = new ArrayList<>(); for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) { Thread thread = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { for (int j = 0; j < 1000 ; j++) { sharedAccount.deposit(10.00); } } }); thread.start(); threads.add(thread); } for (Thread thread : threads) { thread.join(); } logger.info("the balance is:{}",sharedAccount.getBalance()); } public static class BankAccount { private String accountName; public double getBalance() { return balance; } private double balance; public BankAccount(String accountName, double balance){ this.accountName = accountName; this.balance =balance; } public double deposit(double amount){ balance = balance + amount; return balance; } public double withdraw(double amount){ balance = balance - amount; return balance; } public String getAccountName() { return accountName; } public void setAccountName(String accountName) { this.accountName = accountName; } } }
上面的代碼中開啟了10個(gè)線程,每個(gè)線程會(huì)對(duì)共享的銀行賬戶進(jìn)行1000次存款操作,每次存款10塊,所以理論上最后銀行賬戶中的錢應(yīng)該是10 * 1000 * 10 = 100000塊。我執(zhí)行了多次上面的代碼,很多次最后的結(jié)果的確是100000,但是也有幾次的結(jié)果并不是我們預(yù)期的。
14:40:25.981 [main] INFO com.csx.demo.spring.boot.concurrent.jmm.AtomicProblem - the balance is:98260.0
出現(xiàn)上面結(jié)果的原因就是因?yàn)橄旅娴牟僮鞑⒉皇窃硬僮?,其中的balance是一個(gè)共享變量。在多線程環(huán)境下可能會(huì)被打斷。
balance = balance + amount;
上面的賦值操作被分為多步執(zhí)行完成,下面簡(jiǎn)單解析下兩個(gè)線程對(duì)balance同時(shí)加10的過程(模擬存款過程,假設(shè)balance的初始值還是0)
線程1從共享內(nèi)存中加載balance的初始值0到工作內(nèi)存 線程1對(duì)工作內(nèi)存中的值加10 //此時(shí)線程1的CPU時(shí)間耗盡,線程2獲得執(zhí)行機(jī)會(huì) 線程2從共享內(nèi)存中加載balance的初始值到工作內(nèi)存,此時(shí)balance的值還是0 線程2對(duì)工作內(nèi)存中的值加10,此時(shí)線程2工作內(nèi)存中的副本值是10 線程2將balance的副本值刷新回共享內(nèi)存,此時(shí)共享內(nèi)存中balance的值是10 //線程2CPU時(shí)間片耗盡,線程1又獲得執(zhí)行機(jī)會(huì) 線程1將工作內(nèi)存中的副本值刷新回共享內(nèi)存,但是此時(shí)副本的值還是10,所以最后共享內(nèi)存中的值也是10
上面簡(jiǎn)單模擬了一個(gè)原子性問題導(dǎo)致程序最終結(jié)果出錯(cuò)的過程。
JMM對(duì)原子性問題的保證
自帶原子性保證
在Java中,對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作。
a = true; //原子性 a = 5; //原子性 a = b; //非原子性,分兩步完成,第一步加載b的值,第二步將b賦值給a a = b + 2; //非原子性,分三步完成 a ++; //非原子性,分三步完成
synchronized
synchronized可以保證操作結(jié)果的原子性。synchronized保證原子性的原理也很簡(jiǎn)單,因?yàn)閟ynchronized可以防止多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行一段代碼。還是用上面存款的場(chǎng)景做列子,我們只需要將存款的方法設(shè)置成synchronized的就能保證原子性了。
public synchronized double deposit(double amount){ balance = balance + amount; //1 return balance; }
加了synchronized后,當(dāng)一個(gè)線程沒執(zhí)行完deposit這個(gè)方法前,其他線程是不能執(zhí)行這段代碼的。其實(shí)我們發(fā)現(xiàn)synchronized并不能將上面的代碼1編程原子性操作,上面的代碼1還是有可能被中斷的,但是即使被中斷了其他線程也不能訪問共享變量balance,當(dāng)之前被中斷的線程繼續(xù)執(zhí)行時(shí)得到的結(jié)果還是正確的。
因此synchronized對(duì)原子性問題的保證是從最終結(jié)果上來保證的,也就是說它只保證最終的結(jié)果正確,中間操作的是否被打斷沒法保證。這個(gè)和CAS操作需要對(duì)比著看。
Lock鎖
public double deposit(double amount) { readWriteLock.writeLock().lock(); try { balance = balance + amount; return balance; } finally { readWriteLock.writeLock().unlock(); } }
Lock鎖保證原子性的原理和synchronized類似,這邊不進(jìn)行贅述了。
原子操作類型
public static class BankAccount { //省略其他代碼 private AtomicDouble balance; public double deposit(double amount) { return balance.addAndGet(amount); } //省略其他代碼 }
JDK提供了很多原子操作類來保證操作的原子性。原子操作類的底層是使用CAS機(jī)制的,這個(gè)機(jī)制對(duì)原子性的保證和synchronized有本質(zhì)的區(qū)別。CAS機(jī)制保證了整個(gè)賦值操作是原子的不能被打斷的,而synchronized值能保證代碼最后執(zhí)行結(jié)果的正確性,也就是說synchronized能消除原子性問題對(duì)代碼最后執(zhí)行結(jié)果的影響。
簡(jiǎn)單總結(jié)
在多線程編程環(huán)境下(無論是多核CPU還是單核CPU),對(duì)共享變量的訪問存在原子性問題。這個(gè)問題可能會(huì)導(dǎo)致程序錯(cuò)誤的執(zhí)行結(jié)果。JMM主要提供了如下的方式來保證操作的原子,保證程序不受原子性問題的影響。
synchronized機(jī)制:保證程序最終正確性,是的程序不受原子性問題的影響;
Lock接口:和synchronized類似;
原子操作類:底層使用CAS機(jī)制,能保證操作真正的原子性。
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