Java之JMM高并發(fā)編程實例分析

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一、什么是JMM

JMM就是Java內(nèi)存模型(java memory model)。因為在不同的硬件生產(chǎn)商和不同的操作系統(tǒng)下，內(nèi)存的訪問有一定的差異，所以會造成相同的代碼運行在不同的系統(tǒng)上會出現(xiàn)各種問題。所以java內(nèi)存模型(JMM)屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實現(xiàn)讓java程序在各種平臺下都能達到一致的并發(fā)效果。

Java內(nèi)存模型規(guī)定所有的變量都存儲在主內(nèi)存中，包括實例變量，靜態(tài)變量，但是不包括局部變量和方法參數(shù)。每個線程都有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存保存了該線程用到的變量和主內(nèi)存的副本拷貝，線程對變量的操作都在工作內(nèi)存中進行。線程不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。

不同的線程之間也無法訪問對方工作內(nèi)存中的變量。線程之間變量值的傳遞均需要通過主內(nèi)存來完成。

每個線程的工作內(nèi)存都是獨立的，線程操作數(shù)據(jù)只能在工作內(nèi)存中進行，然后刷回到主存。這是 Java 內(nèi)存模型定義的線程基本工作方式。

溫馨提醒一下，這里有些人會把Java內(nèi)存模型誤解為Java內(nèi)存結(jié)構(gòu)，然后答到堆，棧，GC垃圾回收，最后和面試官想問的問題相差甚遠。實際上一般問到Java內(nèi)存模型都是想問多線程，Java并發(fā)相關(guān)的問題。

二、JMM定義了什么

這個簡單，整個Java內(nèi)存模型實際上是圍繞著三個特征建立起來的。分別是：原子性，可見性，有序性。這三個特征可謂是整個Java并發(fā)的基礎(chǔ)。

原子性

原子性指的是一個操作是不可分割，不可中斷的，一個線程在執(zhí)行時不會被其他線程干擾。

面試官拿筆寫了段代碼，下面這幾句代碼能保證原子性嗎？

int i = 2;
int j = i;
i++;
i = i + 1;

第一句是基本類型賦值操作，必定是原子性操作。

第二句先讀取i的值，再賦值到j(luò)，兩步操作，不能保證原子性。

第三和第四句其實是等效的，先讀取i的值，再+1，最后賦值到i，三步操作了，不能保證原子性。

JMM只能保證基本的原子性，如果要保證一個代碼塊的原子性，提供了monitorenter 和 moniterexit 兩個字節(jié)碼指令，也就是 synchronized 關(guān)鍵字。因此在 synchronized 塊之間的操作都是原子性的。

可見性

可見性指當(dāng)一個線程修改共享變量的值，其他線程能夠立即知道被修改了。Java是利用volatile關(guān)鍵字來提供可見性的。 當(dāng)變量被volatile修飾時，這個變量被修改后會立刻刷新到主內(nèi)存，當(dāng)其它線程需要讀取該變量時，會去主內(nèi)存中讀取新值。而普通變量則不能保證這一點。

除了volatile關(guān)鍵字之外，final和synchronized也能實現(xiàn)可見性。

synchronized的原理是，在執(zhí)行完，進入unlock之前，必須將共享變量同步到主內(nèi)存中。

final修飾的字段，一旦初始化完成，如果沒有對象逸出（指對象為初始化完成就可以被別的線程使用），那么對于其他線程都是可見的。

有序性

在Java中，可以使用synchronized或者volatile保證多線程之間操作的有序性。實現(xiàn)原理有些區(qū)別：

volatile關(guān)鍵字是使用內(nèi)存屏障達到禁止指令重排序，以保證有序性。

synchronized的原理是，一個線程lock之后，必須unlock后，其他線程才可以重新lock，使得被synchronized包住的代碼塊在多線程之間是串行執(zhí)行的。

三、八種內(nèi)存交互操作

內(nèi)存交互操作有8種：

• lock(鎖定)，作用于主內(nèi)存中的變量，把變量標(biāo)識為線程獨占的狀態(tài)。

• read(讀取)，作用于主內(nèi)存的變量，把變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便下一步的load操作使用。

• load(加載)，作用于工作內(nèi)存的變量，把read操作主存的變量放入到工作內(nèi)存的變量副本中。

• use(使用)，作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的變量傳輸?shù)綀?zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機遇到一個需要使用到變量的值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作。

• assign(賦值)，作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個從執(zhí)行引擎中接受到的值賦值給工作內(nèi)存的變量副本中，每當(dāng)虛擬機遇到一個給變量賦值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作。

• store(存儲)，作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個從工作內(nèi)存中一個變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便后續(xù)的write使用。

• write(寫入)：作用于主內(nèi)存中的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中。

• unlock(解鎖)：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。

我再補充一下JMM對8種內(nèi)存交互操作制定的規(guī)則吧：

• 不允許read、load、store、write操作之一單獨出現(xiàn)，也就是read操作后必須load，store操作后必須write。

• 不允許線程丟棄他最近的assign操作，即工作內(nèi)存中的變量數(shù)據(jù)改變了之后，必須告知主存。

• 不允許線程將沒有assign的數(shù)據(jù)從工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存。

• 一個新的變量必須在主內(nèi)存中誕生，不允許工作內(nèi)存直接使用一個未被初始化的變量。就是對變量實施use、store操作之前，必須經(jīng)過load和assign操作。

• 一個變量同一時間只能有一個線程對其進行l(wèi)ock操作。多次lock之后，必須執(zhí)行相同次數(shù)unlock才可以解鎖。

• 如果對一個變量進行l(wèi)ock操作，會清空所有工作內(nèi)存中此變量的值。在執(zhí)行引擎使用這個變量前，必須重新load或assign操作初始化變量的值。

• 如果一個變量沒有被lock，就不能對其進行unlock操作。也不能unlock一個被其他線程鎖住的變量。

• 一個線程對一個變量進行unlock操作之前，必須先把此變量同步回主內(nèi)存。

四、volatile關(guān)鍵字

很多并發(fā)編程都使用了volatile關(guān)鍵字，主要的作用包括兩點：

• 保證線程間變量的可見性。

• 禁止CPU進行指令重排序。

可見性

volatile修飾的變量，當(dāng)一個線程改變了該變量的值，其他線程是立即可見的。普通變量則需要重新讀取才能獲得最新值。

volatile保證可見性的流程大概就是這個一個過程：

volatile一定能保證線程安全嗎

先說結(jié)論吧，volatile不能一定能保證線程安全。

怎么證明呢，我們看下面一段代碼的運行結(jié)果就知道了：

public class VolatileTest extends Thread {
private static volatile int count = 0;
public static void main(String[] args) throws Exception {
Vector<Thread> threads = new Vector<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
VolatileTest thread = new VolatileTest();
threads.add(thread);
thread.start();
}
//等待子線程全部完成
for (Thread thread : threads) {
thread.join();
}
//輸出結(jié)果，正確結(jié)果應(yīng)該是1000，實際卻是984
System.out.println(count);//984
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
//休眠500毫秒
Thread.sleep(500);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
count++;
}
}
}

為什么volatile不能保證線程安全？

很簡單呀，可見性不能保證操作的原子性，前面說過了count++不是原子性操作，會當(dāng)做三步，先讀取count的值，然后+1，最后賦值回去count變量。需要保證線程安全的話，需要使用synchronized關(guān)鍵字或者lock鎖，給count++這段代碼上鎖：

private static synchronized void add() {
count++;
}

禁止指令重排序

首先要講一下as-if-serial語義，不管怎么重排序，（單線程）程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。

為了使指令更加符合CPU的執(zhí)行特性，最大限度的發(fā)揮機器的性能，提高程序的執(zhí)行效率，只要程序的最終結(jié)果與它順序化情況的結(jié)果相等，那么指令的執(zhí)行順序可以與代碼邏輯順序不一致，這個過程就叫做指令的重排序。

重排序的種類分為三種，分別是：編譯器重排序，指令級并行的重排序，內(nèi)存系統(tǒng)重排序。整個過程如下所示：

指令重排序在單線程是沒有問題的，不會影響執(zhí)行結(jié)果，而且還提高了性能。但是在多線程的環(huán)境下就不能保證一定不會影響執(zhí)行結(jié)果了。

所以在多線程環(huán)境下，就需要禁止指令重排序。

volatile關(guān)鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

• 當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進行，且結(jié)果已經(jīng)對后面的操作可見，在其后面的操作肯定還沒有進行。

• 在進行指令優(yōu)化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執(zhí)行。

下面舉個例子：

private static int a;//非volatile修飾變量
private static int b;//非volatile修飾變量
private static volatile int k;//volatile修飾變量
private void hello() {
a = 1; //語句1
b = 2; //語句2
k = 3; //語句3
a = 4; //語句4
b = 5; //語句5
//...
}

變量a，b是非volatile修飾的變量，k則使用volatile修飾。所以語句3不能放在語句1、2前，也不能放在語句4、5后。但是語句1、2的順序是不能保證的，同理，語句4、5也不能保證順序。

并且，執(zhí)行到語句3的時候，語句1，2是肯定執(zhí)行完畢的，而且語句1,2的執(zhí)行結(jié)果對于語句3,4,5是可見的。

volatile禁止指令重排序的原理

首先要講一下內(nèi)存屏障，內(nèi)存屏障可以分為以下幾類：

• LoadLoad 屏障：對于這樣的語句Load1，LoadLoad，Load2。在Load2及后續(xù)讀取操作要讀取的數(shù)據(jù)被訪問前，保證Load1要讀取的數(shù)據(jù)被讀取完畢。

• StoreStore屏障：對于這樣的語句Store1， StoreStore， Store2，在Store2及后續(xù)寫入操作執(zhí)行前，保證Store1的寫入操作對其它處理器可見。

• LoadStore 屏障：對于這樣的語句Load1， LoadStore，Store2，在Store2及后續(xù)寫入操作被刷出前，保證Load1要讀取的數(shù)據(jù)被讀取完畢。

• StoreLoad 屏障：對于這樣的語句Store1， StoreLoad，Load2，在Load2及后續(xù)所有讀取操作執(zhí)行前，保證Store1的寫入對所有處理器可見。

在每個volatile讀操作后插入LoadLoad屏障，在讀操作后插入LoadStore屏障。

在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障，后面插入一個SotreLoad屏障。

到此，關(guān)于“Java之JMM高并發(fā)編程實例分析”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識，請繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬嵱玫奈恼拢?/p>