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深入理解Java多线程与并发框(第③篇)——Java内存模型与原子性、可见性、有序性

投稿 软件结构 作者:无敌天骄 时间:2020-03-23 15:56:35 0 删除 编辑

一、Java内存模型

Java Memory Modle,简称 JMM,中文名称 Java内存模型,它是一个抽象的概念,用来描述或者规范访问内存变量的方式。因为各中计算机的操作系统和硬件不同,方式机制也可能不同,Java内存模型用于屏蔽(适配)各种差异,以此来达到访问各个平台的一致的效果。这也是Java夸平台的重要原因之一。

主内存: Java内存规定了所有变量都存储在主内存(Main Memory)中,各个线程又有自己的本地内存(工作内存),本地内存保存着主内存中部分变量。具体访问方式如下:

JMM工作方式

  • lock加锁:为了保证访问主内存变量的线程安全性,在访问前一般会加锁处理;
  • read读:从主内存中读取一个变量到工作内存;
  • load加载:把read读到的变量加载到工作内存的变量副本中;
  • use使用:此时线程可以使用其工作内存中的变量了;
  • assign赋值:将处理后的变量赋值给工作内存中的变量;
  • store存储:将工作内存中的变量存储到主内存中,以新建new 一个新变量的方式存储;
  • write写:将store存在的新变量的引用赋值给被处理的变量;
  • unload解锁:所有的工作做完,最后解锁释放资源。

二、Java内存模型的三大特性

1. 原子性(Atomicity)

这里的原子性如同数据库事务中是原子性,一个或多个操作要么全执行成功要么全执行失败(全不执行)。

int a = 1;
a++;
double b = 1.5;

Java内存模型只保证单一的操作具有原子性,比如上面的 int a = 1; 是一个单子的操作,所以具有原子性。而 a++ 操作在底层会分为三个操作:1)、读取a的值给临时变量;2)、临时变量a的值加1操作;3)、将加操作后的值赋值给a。每个操作都是原子的,但Java内存模型在多线程下并不能保证多操作具有整体原子性,因为它也不知道这个整体内有多少操作,用户想要达到多操作具有整体原子性,需要对响应的代码块做同步(synchronous)处理,比如使用 有锁的synchronized 或 无锁的CAS。

2. 可见性(Visibility)

这里的可见性是内存可见性。

如上图,线程1和线程2在未同步的情况下对共享内存(主内存)中的变量进行访问,比如两个线程的操作都是对变量a进行加1操作。假设线程1首先获取主内存中变量a的值,随后线程2又获取了主内存变量a的值,此时它们工作内存中a的值都是1,它们各自将a的值加1操作,然后assign至工作内存,工作内存中变量a的值都是2,然后两个线程又将值刷新到主内存,最后的结果是主内存中变量a的值是2。虽然整体对a的值加1操作做了两次操作,但由于线程间的操作是互相隔离的,默认情况下无法感知内存变量的值在随后的变化,也就无法访问内存中最新的变量值,这就是内存可行性的问题。

如何解决内存可见性的问题?

  • 对进入临界区的线程做同步处理(比如 synchronized),同一时刻仅有一个线程能够访问临界区的资源;
  • 使用 volatile 关键字保证内存可见性,它能保证访问临界区资源的所有线程总能看到共享资源的最新值;
  • CAS无锁化。

3. 有序性(Ordering)

线程内的所有操作都是有序的,既程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。比如下面的示例:

int a = 1;
int b = 2;
int c = a + b;

线程内程序会先执行 int a = 1; ,然后执行 int b = 2; 最后执行int c = a + b;。

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