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Java内存模式以及volatile详解

fangzhipeng约 2511 字大约 8 分钟

在并发编程中,可见性、原子性和有序性的问题常常让我们感到困惑,因为这些问题容易成为 Bug 的源头。早在诞生之初,Java就在多线程方面处于领先地位,并提供了针对这些问题的技术方案。

今天先聊聊Java如何解决多线程下解决可见性和有序性问题。在此之前,先聊聊Java内存模型。

Java内存模型

随着计算机CPU运算能力的迅速增长,CPU已经远远超越了主内存读取数据的速度。为了解决这个问题,CPU厂商引入了高速缓存,使得CPU能够直接从高速缓存中读取数据,从而达到更高的性能。然而,在多核CPU中,每个处理器都有自己的缓存,这引发了数据一致性的问题。为了确保多核处理器的数据一致性,需要引入多处理器数据一致性协议,例如MOSI、Synapse、Firely、DragonProtocol等。这些协议帮助确保处理器之间的数据一致性,以避免出现意外的错误和不一致的状态。

JMM内存模型.png
JMM内存模型.png

在JVM执行多线程任务时,共享数据存储在主内存中,而每个线程(在不同的处理器上执行)都拥有自己的高速缓存。当线程对共享数据进行修改时,首先会将数据从主内存复制到线程的高速缓存中,进行修改操作后再将结果从高速缓存复制回主内存。然而,当多个线程同时进行这样的操作时,可能会导致共享数据出现意外的错误。

举个例子,比如执行i++操作,线程首先从主内存读取i的值,比如i=0,然后复制到自己的高速缓存区,进行i++操作,最后将结果再次从高速缓存区复制回主内存。如果有两个线程同时对i进行i++操作,预期的结果应该是2。然而实际上可能并非如此。线程1读取主内存的i=0后,线程2也读取i=0进行i++操作,最终导致结果为1而不是2。

为了解决缓存不一致的问题,有两种解决方案:

  1. 在总线上加锁,即只允许一个线程执行对共享数据的操作(包括读取和修改)。
  2. 使用缓存一致性协议,如Intel的MESI协议。该协议的核心思想是,当某个处理器写入变量数据时,如果其他处理器也包含该变量,会发出信号通知其他处理器将高速缓存中的该数据设置为无效状态。这样其他处理器在需要读取该变量时,会重新从主内存中读取,然后再次复制到高速缓存区。

这样就可以确保多线程在共享数据时不会出现意外的错误。

编发编程的概念

再简单回顾一些上一篇文章讲解的并发编程的有三个概念,包括原子性、可见性、有序性。

原子性

原子性是指,操作为原子性的,要么成功,要么失败,不存在第三种情况。比如:

String s="abc";

这个复杂操作是原子性的。再比如:

int i=0;
i++;

i=0这是一个赋值操作,这一步是原子性操作;那么i++是原子性操作吗?当然不是,首先它需要读取i=0,然后需要执行运算,写入i的新值1,它包含了读取和写入两个步骤,所以不是原子性操作。

可见性

可见性是指共享数据的时候,一个线程修改了数据,其他线程知道数据被修改,会重新读取最新的主存的数据。 举个例子:

i=0;//主内存

i++;//线程1

j=i;//线程2

线程1修改了i值,但是没有将i值复制到主内存中,线程2读取i的值,并将i的值赋值给j,我们期望j=1,但是由于线程1修改了,没有来得及复制到主内存中,线程2读取了i,并赋值给j,这时j的值为0。 也就是线程i值被修改,其他线程并不知道。

有序性

是指代码执行的有序性,因为代码有可能发生指令重排序(Instruction Reorder)。

Java 语言提供了 volatile 和 synchronized 两个关键字来线程代码操作的有序性,volatile 是因为其本身包含“禁止指令重排序”的语义,synchronized 在单线程中执行代码,无论指令是否重排,最终的执行结果是一致的。

volatile详解

volatile关键字作用

被volatile关键字修饰变量,起到了2个作用:

1.某个线程修改了被volatile关键字修饰变量是,根据数据一致性的协议,通过信号量,更改其他线程的高速缓存中volatile关键字修饰变量状态为无效状态,其他线程如果需要重写读取该变量会再次从主内存中读取,而不是读取自己的高速缓存中的。

2.被volatile关键字修饰变量不会指令重排序。

volatile能够保证可见性和防止指令重排

在Java并发编程实战一书中有这样

public class NoVisibility {
    private static boolean ready;
    private static int a;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new ReadThread().start();
        Thread.sleep(100);
        a = 32;
        ready = true;
      

    }

    private static class ReadThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (!ready) {
                Thread.yield();
            }
            System.out.println(a);
        }
    }
}

在上述代码中,有可能(概率非常小,但是有这种可能性)永远不会打印a的值,因为线程ReadThread读取了主内存的ready为false,主线程虽然更新了ready,但是ReadThread的高速缓存中并没有更新。 另外:

a = 32;

ready = true;

这两行代码有可能发生指令重排。也就是可以打印出a的值为0。

如果在变量加上volatile关键字,可以防止上述两种不正常的情况的发生。

volatile不能保证原子性

首先用一段代码测试下,开起了10个线程,这10个线程共享一个变量inc(被volatile修饰),并在每个线程循环1000次对inc进行inc++操作。我们预期的结果是10000.

public class VolatileTest {


    public volatile int inc = 0;

    public void increase() {
        inc++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final VolatileTest test = new VolatileTest();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++)
                    test.increase();
            }).start();
        }
        //保证前面的线程都执行完
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println(test.inc);
    }

}

多次运行main函数,你会发现结果永远都不会为10000,都是小于10000。可能有这样的疑问,volatile保证了共享数据的可见性,线程1修改了inc变量线程2会重新从主内存中重新读,这样就能保证inc++的正确性了啊,可为什么没有得到我们预期的结果呢?

在之前已经讲述过inc++这样的操作不是一个原子性操作,它分为读、加加、写。一种情况,当线程1读取了inc的值,还没有修改,线程2也读取了,线程1修改完了,通知线程2将线程的缓存的 inc的值无效需要重读,可这时它不需要读取inc ,它仍执行写操作,然后赋值给主线程,这时数据就会出现问题。

所以volatile不能保证原子性 。这时需要用锁来保证,在increase方法加上synchronized,重新运行打印的结果为10000 。

 public synchronized void increase() {
        inc++;
}

volatile的使用场景

状态标记

volatile最常见的使用场景是状态标记,如下:

private volatile boolean asheep ;

//线程1
 
while(!asleep){
    countSheep();
}

//线程2
asheep=true;

防止指令重排

volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();  
inited = true;  
//上面两行代码如果不用volatile修饰,可能会发生指令重排,导致报错
 
//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

Happens-Before 规则

“Happens-Before” 是 Java 内存模型中定义的一个重要概念,用于描述多线程环境中内存操作的顺序和可见性。在多线程编程中,Happens-Before 规则的关键在于确保并发操作的顺序性和可见性。同时,Happens-Before 约束了编译器的优化行为,虽允许编译器优化,但是要求编译器优化后一定遵守 Happens-Before 规则。

具体来说,Happens-Before 规则规定了以下几种情况,需要程序员重点掌握:

  1. 程序次序规则:一个线程内的每一个操作,Happens-Before 于该线程内的后续操作。

  2. 监视器锁规则:对一个锁的解锁操作,Happens-Before 于随后对这个锁的加锁操作。

  3. volatile 变量规则:对一个 volatile 变量的写操作,Happens-Before 于随后对这个变量的读操作。

  4. 传递性:如果 A Happens-Before B,且 B Happens-Before C,则 A Happens-Before C。

除了之前提到的基本规则之外,Happens-Before 还涉及到一些具体的应用场景和含义:

  1. 线程启动规则:一个线程 A 启动另一个线程 B,A 线程启动操作的 Happens-Before 关系于 B 线程的任意操作。

  2. 线程中断规则:对线程 interrupt() 方法的调用 Happens-Before 于被中断线程中的任意操作。

  3. 终结器规则:对象的构造函数执行 Happens-Before 于该对象的 finalize() 方法。

  4. 线程终结规则:所有的线程中的操作 Happens-Before 于该线程的终结。

参考资料

《Java 并发编程实战》

《深入理解JVM》

海子的博客:http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.htmlopen in new window