并发编程-java内存模型

文/属衣

             Java内存模型的抽象结构示意图

 Java内存模型包含主内存和工作内存（本地内存），所有的变量都存储在主内存中。线程对变量的所有操作（读取，赋值）都必须在工作内存中进行。

A线程与B线程的通信过程：1）线程A把本地内存共享变量刷新到主内存 2）B线程读取A线程已更新过的共享变量

但实际情况，A线程与B线程的通信会出现“脏读”等问题。

1.原子性

       原子性即一个操作或者多个操作要么全部成功执行，要么都不执行。

　　int i=10;①　　 i--;②　　 j=i;  ③

只有语句①是原子性，其余需要先读取变量再进行赋值，所以是非原子性。　

2.可见性

　　可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

　　int i=10;① 　　j=i;②

线程A在执行语句①，并未将赋值后的结果刷新到主内存，线程B进行语句②操作时，导致读取到旧值，无法保证可见性。

3.有序性

　　有序性即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

　　在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

线程A:

context = loadContext();①

inited = true; ②

线程B:

while(!inited ){

   sleep()

}

initConfig(context);

语句①②可能会被重排序，假如线程A先执行了语句②，会导致线程B直接跳过while循环，导致initConfig(context)失败！

Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即happens-before原则（先行发生原则）。

volatile

　　volatile是轻量级的synchronized，它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。

1.使用volatile修饰的共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量），保证了可见性与有序性（禁止进行指令重排序）。

线程A：

boolean stop = false;

while(!stop){

 doSomething();

}

线程B：

stop = true;

以上代码可能出现死循环！线程B先将stop变量读到工作内存进行修改，然后一直没有将stop修改后的结果刷新到主内存，导致线程A 一直处于while循环中。

使用volatile修饰时，线程B的stop变量会被立即刷新到主内存，线程A会及时退出while循环。

2.volatile保证不了原子性。

public class Test {

    public volatile int inc = 0;

    public void increase() {

        inc++;

    }

    public static void main(String[] args) {

        final Test test = new Test();

        for(int i=0;i<10;i++){

            new Thread(){

                public void run() {

                    for(int j=0;j<1000;j++)

                        test.increase();

                };

            }.start();

        }

 

        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完

            Thread.yield();

        System.out.println(test.inc);

    }

}

大部分执行结果小于10000！

这是因为increase不是原子性的，假如线程1执行时inc=10,线程1先将inc读取到工作内存（此时保证读取到的是最新结果），此时被阻塞。线程2将inc读取到工作内存并进行+1操作，然后放入主内存inc=11，线程1接着进行inc+1操作（inc已经被读取过了inc=10），所以会将inc=11放入主内存。

可以选择java.util.concurrent.atomic包下的原子操作类保证原子性。

volatile的实现原理

1.可见性

　　处理器为了提高处理速度，不直接和内存进行通讯，而是将系统内存的数据独到内部缓存后再进行操作，但操作完后不知什么时候会写到内存。

如果对声明了volatile变量进行写操作时，JVM会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写会到系统内存。 这一步确保了如果有其他线程对声明了volatile变量进行修改，则立即更新主内存中数据。

但这时候其他处理器的缓存还是旧的，所以在多处理器环境下，为了保证各个处理器缓存一致，每个处理会通过嗅探在总线上传播的数据来检查 自己的缓存是否过期，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改了，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作时，会强制重新从系统内存把数据读到处理器缓存里。 这一步确保了其他线程获得的声明了volatile变量都是从主内存中获取最新的。

2.有序性

Lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成。

volatile的应用场景

1.状态标记

2.单例double check

class Singleton{

    private volatile static Singleton instance = null;

 

    private Singleton() {

 

    }

 

    public static Singleton getInstance() {

        if(instance==null) {

            synchronized (Singleton.class) {

                if(instance==null)

                    instance = new Singleton();

            }

        }

        return instance;

    }

}

instance = new Singleton()；在jvm中经历了：

1）为instance分配内存

2）初始化成员变量

3）将instance对象指向分配的内存空间

在jvm的即时编译器中存在指令排序的优化，有可能出现1-3-2的顺序，当3执行完毕，另一个线程直接判断instance不为空而直接返回并在使用中发生错误。