Java进阶专题(十三) 探究JMM

前言

JMM即java内存模型，JMM研究的就是多线程下Java代码的执行顺序，共享变量的读写。它定义了Java虚拟机在计算机内存中的工作方式。从抽象角度看，JMM定义了线程和主存之间的抽象关系：线程之前的共享变量存储在主内存中，每个线程有个私有的本地内存，本地内存中存储了该线程读写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他硬件和编译器优化。

先抛出两个问题：

你写的代码一定是实际运行的代码吗？
代码的编写顺序，一定是实际执行的顺序吗？

参考文献:

Java Language Specification Chapter 17. Threads and Locks

JSR-133: JavaTM Memory Model and Thread Specification

Doug Lea' s JSR-133 cookbook

书籍：《Java Concurrency in Practice》

并发测试框架：jcstress

多线程读写共享变量

问题演示

猜猜一下代码在多线程的情况下，会发生什么样的情况？

永远的循环

boolean stop;
@Actor
public void a1() {
   while(!stop){
   }
}
@Signal
void a2() {
   stop = true;
}

加加减减

int balance = 10;
@Actor
public void deposit() {
   balance += 5;
}
@Actor
public void withdraw() {
   balance -= 5;
}
@Arbiter
public void query(I_Result r) {
   r.r1 = balance;
}

第四种可能

int a;
int b;
@Actor
public void actor1(II_Result r) {
   b = 1;
   r.r2 = a;
}
@Actor
public void actor2(II_Result r) {
   a = 2;
   r.r1 = b;
}

问题解密

循环问题-揭秘

为了方便测试，改造下代码：

package com.study.demo6;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class WhileTest {
    static boolean stop;

    public static void a1() {
        while (true) {
            boolean b = stop;
            if (b) {
                break;
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            stop = true;
            System.out.println("stop>>>>>>>true!");
        }).start();
        a1();
    }
}

运行结果:

发现main主线程中，调用了啊a1()方法，子线程1秒后，对stop修改了true，按正常逻辑，死循环应该会break终止了，但是实际上运行，我们发现，一直在循环中，并未终止！

提示：

先用 -XX:+PrintCompilation 来查看即时编译情况（% 的含义 On-Stack-Replacement（OSR））

再尝试用 -Xint 强制解释执行

加加减减问题-解密

代码演示

package com.study.demo6;

import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class AddSubTest {
    static int balance = 10;

    private static void add(){
        balance+=5;
    }
    private static void sub(){
        balance-=5;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Thread> threadList = Arrays.asList(new Thread(AddSubTest::add), new Thread(AddSubTest::sub));
        threadList.forEach(Thread::start);
        for (Thread thread : threadList) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(balance);
    }
}

这回用一下ASM 工具，可以看到源码第10 行的 balance += 5 的字节码如下

LINENUMBER 8 L0
   GETSTATIC TestAddSub.balance : I
   ICONST_5
   IADD
   PUTSTATIC TestAddSub.balance : I

而第13 行的 balance -= 5 字节码如下

LINENUMBER 12 L0
   GETSTATIC TestAddSub.balance : I
   ICONST_5
   ISUB
   PUTSTATIC TestAddSub.balance : I

换成伪代后

    static int balance = 10;

    private static void add(){
        //balance+=5;
        int b = balance;
        b += 5;
        balance = b;
    }
    private static void sub(){
        //balance-=5;
        int c = balance;
        c -= 5;
        balance = c;
    }

可能出现的执行顺序如下:

case1: 线程1和2串行

int b = balance; // 线程1
b += 5;          // 线程1
balance = b;     // 线程1
int c = balance; // 线程2
c -= 5;          // 线程2
balance = c;     // 线程2

case2:线程1和线程2同时拿到10,线程1执行完,线程2再执行完

int c = balance; // 线程2
int b = balance; // 线程1
b += 5;          // 线程1
balance = b;     // 线程1
c -= 5;          // 线程2
balance = c;     // 线程2

case3:线程1和线程2同时拿到10,线程2执行完,线程1再执行完

int b = balance; // 线程1
int c = balance; // 线程2
c -= 5;          // 线程2
balance = c;     // 线程2
b += 5;          // 线程1
balance = b;     // 线程1

第四种可能-揭秘

代码演示:

package com.study.demo6;

public class FourthResultTest {
    int a;
    int b;

    private void actor1(IIResult r){
        b=1;
        r.r2 = a;
    }

    private void actor2(IIResult r){
        a=2;
        r.r1 = b;
    }

}

可能出现的结果

case1:

b = 1;      // 线程1
r.r2 = a;   // 线程1
a = 2;      // 线程2
r.r1 = b;   // 线程2
// 结果 r1==1, r2==0

case2:

a = 2;      // 线程2
r.r1 = b;   // 线程2
b = 1;      // 线程1
r.r2 = a;   // 线程1
// 结果 r1==0, r2==2

case3:

a = 2;      // 线程2
b = 1;      // 线程1
r.r2 = a;   // 线程1
r.r1 = b;   // 线程2
// 结果 r1==1, r2==2

case4:这种结果是不是超乎你的预期了?这是因为可能是编译器调整了指令执行顺序

r.r2 = a;   // 线程1
a = 2;      // 线程2
r.r1 = b;   // 线程2
b = 1;      // 线程1
// 结果 r1==0, r2==0

思考为什么

如果让一个线程总是占用CPU 是不合理的，所有任务调度器会让线程分时使用CPU
编译器以及硬件层面都会做层层优化，提升性能
Compiler/JIT 优化
Processor 流水线优化
Cache 优化

编辑器优化

case1:

//优化前
x=1
y="universe"
x=2
//优化后
y="universe"
x=2

case2:

//优化前
for(i=0;i<max;i++){
       z += a[i]
   }
//优化后
t = z
for(i=0;i<max;i++){
       t += a[i]
   }
z = t

case3:

//优化前
if(x>=0){
y = 1;
// ...
}
//优化后
y = 1;
if(x>=0){
// ...
}

Processor优化

流水线在CPU 的一个时钟周期内会执行多个指令的不同部分

非流水线操作

假设有三条指令

---|---|---|
1   2   3

每条指令执行花费300ps 时间，最后将结果存入寄存器需要20ps
一秒能运行的指令数为

流水线操作

仔细分析就会发现，可以把每个指令细分为三个阶段

A|B|C|          // 1
 A|B|C|        // 2
   A|B|C|      // 3

增加一些寄存器，缓存每一阶段的结果，这样就可以在执行指令1-C 阶段时，同时执行指令2-B 以及指令3-A
一秒能运行的指令数为

execute out of order

在按序执行中，一旦遇到指令依赖的情况，流水线就会停滞
如果采用乱序执行，就可以跳到下一个非依赖指令并发布它。这样，执行单元就可以总是处于工作状态，把
时间浪费减到最少

缓存优化

MESI (CPU缓存一致性)协议引入缓存的副作用在于同一份数据可能保存了副本，一致性该如何保证呢？

Modified - 要向其它CPU 发送cache line 无效消息，并等待ack
Exclusive - 独占、即将要执行修改
Shared - 共享、一般读取时的初始状态
Invalid - 一旦发现数据无效，需要重新加载数据

例子

就上文所说的第四种可能:r1 和r2 有没有可能同时为0

r.r1 = b;   // 线程2 与 a = 2 重排
r.r2 = a;   // 线程1 与 a = 1 重排
b = 1;      // 线程1
a = 2;      // 线程2

下面从缓存的角度分析，注意假定指令没有重排

b = 1;      // 线程1 - 写入 CPU-0 的 store buffer
a = 2;      // 线程2 - 写入 CPU-1 的 store buffer
r.r1 = b;   // 线程2 - 马上执行
r.r2 = a;   // 线程1 - 马上执行
// 线程1 - 将 store buffer 中的 b = 1 写入 cache, 晚了
// 线程2 - 将 store buffer 中的 a = 2 写入 cache, 晚了

我们关注问题的点

以上介绍了多线程读写共享变量可能发生的哪些问题?但对于程序员而言，我们不应当关注究竟是编译器优化、Processor 优化、缓存优化。否则，就好像打开了潘多拉魔盒！

JMM内存模型

什么是JMM

A memory model describes, given a program and an execution trace of that program, whether the execution trace is a legal execution of the program. A high level, informal overview of the memory model shows it to be a set of rules for when writes by one thread are visible to another thread.

多线程下，共享变量的读写顺序是头等大事，内存模型就是多线程下对共享变量的一组读写规则

共享变量值是否在线程间同步
代码可能的执行顺序
需要关注的操作就有两种Load、Store
- Load 就是从缓存读取到寄存器中，如果一级缓存中没有，就会层层读取二级、三级缓存，最后才是Memory
- Store 就是从寄存器运算结果写入缓存，不会直接写入Memory，当Cache line 将被eject 时，会
  writeback 到Memory

JMM规范

规则一 Race Condition

在多线程下，没有关系依赖的代码，在操作共享变量时（至少有一个线程写），并不能保证按编写顺序（Program Order）执行，这称为发生了竞态条件（Race Conditon）。

例如

有共享变量 x，线程 1 执行

r.r1 = y; 
r.r2 = x;

线程 2 执行

x = 1; 
y = 1;

最终的结果可能是 r11 而 r20

竞态条件是为了更好的 data race free。

规则二 Syncronization Order

若要保证多线程下，每个线程的执行顺序（Synchronization Order）按编写顺序（Program Order）执行，那么必须使用 Synchronization Actions 来保证，这些 SA 有

lock，unlock
volatile 方式读写变量
VarHandle 方式读写变量

Synchronization Order 也称之为 Total Order

例如

用 volatile 修饰共享变量 y，线程 1 执行

r.r1 = y; 
r.r2 = x;

线程 2 执行

x = 1; 
y = 1;

最终的结果就不可能是 r11 而 r20

SO并不是阻止多线程切换

错误的认识，线程 1 执行

synchronized(LOCK) { 
  r1 = x; //1 处 
  r2 = x; //2 处 
}

线程 2 执行

synchronized(LOCK) { 
  x = 1 
}

并不是说 //1 与 //2 处之间不能切换到线程 2，只是即使切换到了线程 2，因为线程 2 不能拿到 LOCK 锁导致被阻塞，执行权又会轮到线程 1

volatile 只用了一半算 SO 吗?

用例1

int x; 
volatile int y;

之后采用

x = 10; //1 处 
y = 20; //2 处

此时 //1 处代码绝不会重排到 //2 处之后（只写了 volatile 变量）

用例 2

int x; 
volatile int y;

执行下面的测试用例

@Actor 
public void a1(II_Result r) { 
  y = 1; //1 处 
  r.r2 = x; //2 处 
}
@Actor 
public void a2(II_Result r) { 
  x = 1; //3 处 
  r.r1 = y; //4 处 
}

//1 //2 处的顺序可以保证（只写了 volatile 变量），但 //3 //4 处的顺序却不能保证（只读了 volatile 变量），仍会出现 r1r20 的问题

有时会很迷惑人，例如下面的例子

用例3

@Actor 
public void a1(II_Result r) { 
  r.r2 = x; //1 处 
  y = 1; //2 处 
}
@Actor 
public void a2(II_Result r) { 
  r.r1 = y; //3 处 
  x = 1; //4 处 
}

这回 //1 //2 （只写了 volatile 变量）//3 //4 处（只读了 volatile 变量）的顺序均能保证了，绝不会出现r1r21 的情况

此外将用例 2 中两个变量均用 volatile 修饰就不会出现 r1r20 的问题，因此也把全部都用 volatile 修饰称为total order，部分变量用 volatile 修饰称为 partial order

规则三 Happens Before

若是变量读写时发生线程切换（例如，线程 1 写入 x，切换至线程 2，线程 2 读取 x）在这些边界的处理上如果有action1 先于 action 2 发生，那么代码可以按确定的顺序执行，这称之为 Happens-Before Order 规则(Happens-Before Order 也称之为 Partial Order).

用公式表达就是：

含义为：如果 action1 先于 action2 发生，那么 action1 之前的共享变量的修改对于 action2 可见，且代码按 PO顺序执行

具体规则

其中 \(T_{n}\) 代表线程，而 x 未加说明，是普通共享变量，使用 volatile 会单独说明

1）线程的启动和运行边界

2）线程的结束和join边界

3）线程的打断和得知打断的边界

4）unlock 与 lock 边界

5）volatile write 与 volatile read 边界

6）传递性

规则四 Causality

Causality 即因果律：代码之间如存在依赖关系，即使没有加 SA 操作，代码的执行顺序也是可以预见的

回顾一下

多线程下，没有依赖关系的代码，在共享变量读写操作（至少有一个线程写）时，并不能保证以编写顺序（Program Order）执行，这称为发生了竞态条件（Race Condition）

如果有一定的依赖关系呢？

@JCStressTest
@Outcome(id = {"0", "0"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ACCEPTABLE")
@Outcome(expect = Expect.FORBIDDEN, desc = "FORBIDDEN")
@State
public class Case {
    int x;
    int y;

    @Actor
    public void a1(IIResult r) {
        r.r1 = x;
        y = r.r1;
    }

    @Actor
    public void a2(IIResult r){
        r.r2 = y;
        x = r.r2;
    }
}

x 的值来自于 y，y 的值来自于 x，而二者的初始值都是 0，因此没有可能有其他结果

规则五安全发布

若要安全构造对象，并将其共享使用，需要用 final 或 volatile 修饰其成员变量，并避免 this 溢出情况(静态成员变量可以安全地发布)

例如

class Holder{
    int x1;
    volatile int x2;

    public Holder(int x) {
        x1=x;
        x2=x;
    }
}

需要将它作为全局使用

Holder f;

两个线程，一个创建，一个使用

Holder holder;

@Actor
public void a1(){
  holder = new Holder(1);
}

@Actor
public void a2(IIResult r){
  Holder holder = this.holder;
  if (holder != null){
    r.r1 = holder.x1 +holder.x2;
  }else {
    r.r1 = -1;
  }
}

可能看见未构造完整的对象

同步动作

前面没有详细展开从规则 2 之后的讲解，是因为要理解规则，还需理解底层原理，即内存屏障

内存屏障

LoadLoad

防止 y 的 Load 重排到 x 的 Load 之前
```
if(x) { 
  LoadLoad 
    return y 
}
```
意义：x == true 时，再去获取 y，否则可能会由于重排导致 y 的值相对于 x 是过期的

LoadStore

防止 y 的 Store 被重排到 x 的 Load 之前

StoreSotre

防止 A 的 Store 被重排到 B 的 Store 之后
```
A = x 
StoreStore 
B = true
```
意义：在 B 修改为 true 之前，其它线程别想看到 A 的修改
- 有点类似于 sql 中更新后，commit 之前，其它事务不能看到这些更新（B 的赋值会触发 commit 并撤除屏障）

StoreLoad

意义：屏障前的改动都同步到主存 ，屏障后的 Load 获取主存最新数据，发生在线程切换时，并且使得蓝色线程所有的写操作写入主存，使得红色线程能读取到最新数据
- 防止屏障前所有的写操作，被重排序到屏障后的任何的读操作，可以认为此 store -> load 是连续的
- 有点类似于 git 中先 commit，再远程 poll，而且这个动作是原子的

如何记忆

LoadLoad + LoadStore = Acquire 即让同一线程内读操作之后的读写上不去，第一个 Load 能读到主存最新值
LoadStore + StoreStore = Release 即让同一线程内写操作之前的读写下不来，后一个 Store 能将改动都写入主存
StoreLoad 最为特殊，还能用在线程切换时，对变量的写操作 + 读操作做同步，只要是对同一变量先写后读，那么屏障就能生效

Volatile

本质

事实上对 volatile 而言 Store-Load 屏障最为有用，简化起见以后的分析省略部分其他屏障

作用

保证单一变量的原子性
控制了可能的执行路径：线程内按屏障有序，线程切换时按HB有序
可见性：线程切换时若发生了读写则变量可见，顺带影响普通变量可见

volatile的用途

凡是需要cas操作的地方

比如AtomicInteger的源码

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final Unsafe U = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");
    private volatile int value; 
    
    // ...

    public final boolean compareAndSet(int expectedVal, int newVal) {
        return U.compareAndSetInt(this, VALUE, expectedVal, newVal);
    }
    
    // ...
}

AbstractQueuedSynchronizer的源码

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;
    private volatile int state;

    protected final int getState() {
        return state;
    }

    protected final boolean compareAndSetState(int e, int n) {
        return U.compareAndSetInt(this, STATE, e, n);
    }

    final void enqueue(Node node) {
        if (node != null) {
            for (; ; ) {
                Node t = tail;
                node.setPrevRelaxed(t);
                if (t == null) tryInitializeHead();

                else if (casTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    if (t.status < 0) LockSupport.unpark(node.waiter);
                    break;
                }
            }
        }
    }

    private void tryInitializeHead() {
        Node h = new ExclusiveNode(); // 头
        if (U.compareAndSetReference(this, HEAD, null, h)) tail = h;
    }

    private boolean casTail(Node c, Node v) {
        return U.compareAndSetReference(this, TAIL, c, v);
    }
}

ConcurrentHashMap源码

public class ConcurrentHashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V> implements ConcurrentMap<K, V>, Serializable {
    /**
     * Table initialization and resizing control. When negative, the
     * table is being initialized or resized: -1 for initialization,
     * else -(1 + the number of active resizing threads). Otherwise,
     * when table is null, holds the initial table size to use upon
     * reation, or 0 for default. After initialization, holds the
     * next element count value upon which to resize the table.
     */
    private transient volatile int sizeCtl;
    /**
     * The array of bins. Lazily initialized upon first insertion.
     * Size is always a power of two. Accessed directly by iterators.
     */
    transient volatile Node<K, V>[] table;

    private final Node<K, V>[] initTable() {
        Node<K, V>[] tab;
        int sc;
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
            if ((sc = sizeCtl) < 0) Thread.yield();
            else if (U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                try {
                    if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                        int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                        Node<K, V>[] nt = (Node<K, V>[]) new Node<?, ?>[n];
                        table = tab = nt;
                        sc = n - (n >>> 2);
                    }
                } finally {
                    sizeCtl = sc;
                }
                break;
            }
        }
        return tab;
    }
    // ... 
}

volatile负责保证可见性，cas来保证原子

Synchronized

本质

起始synchronized本质就是通两个JVM指令：monitorenter和monitorexit来实现了，我们可以通过下面一段代码的来研究下，其原理

package com;

public class SynchronizedTest {
    static int i = 0;
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (SynchronizedTest.class){
            i++;
        }
    }
}

通过反编译看下

 #......
 public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: ldc           #2                  // class com/SynchronizedTest
         2: dup
         3: astore_1
         4: monitorenter
         5: getstatic     #3                  // Field i:I
         8: iconst_1
         9: iadd
        10: putstatic     #3                  // Field i:I
        13: aload_1
        14: monitorexit
        15: goto          23
        18: astore_2
        19: aload_1
        20: monitorexit
        21: aload_2
        22: athrow
        23: return
#......

可以看到就是通过jvm指令monitorenter、monitorexit实现的，结合上图，具体步骤如下：

我们知道synchronized是通加对象锁来实现的，但是这个对象是否作为锁而存在呢？

当线程1执行synchronized时，jvm调用monitorenter时，就会先操作系统申请一个操作系统的Moniter锁（底层由c++实现的），并把其地址存放在LOCK对象头中。
当线程1根据LOCK对象头找到Moniter锁，判断owner是否被占用，没有被占用，就会修改其值，等于持有了锁。
大概线程2同样会执行monitorenter指令，根据LOCK对象头找到Moniter锁，判断owner是否被占用，发现已经被占用，首先会自旋尝试获取，一定次数没获取到，就会进入EntryList队列等待，并从运行状态变成阻塞状态，线程3也是如此。
当线程1执行完毕或出现异常时就会执行monitorexit，释放owner并唤醒EntryList中的被阻塞线程，具体都队列头还是队列尾部去唤醒，这个根据具体算法实现，这里不做赘述。
假如线程2被唤醒就会去获取owner是否空闲，空闲了就占用，线程3依然处于阻塞状态。

优化（JDK1.6之后）

重量级
- 当有竞争时，仍会向系统申请 Monitor 互斥锁
轻量级锁
- 如果线程加锁、解锁时间上刚好是错开的，这时候就可以使用轻量级锁，只是使用 cas 尝试将对象头替换为该线程的锁记录地址，如果 cas 失败，会锁重入或触发重量级锁升级
偏向锁
- 打个比方，轻量级锁就好比用课本占座，线程每次占座前还得比较一下，课本是不是自己的（cas），频繁 cas 性能也会受到影响
- 而偏向锁就好比座位上已经刻好了线程的名字，线程【专用】这个座位，比 cas 更为轻量
- 但是一旦其他线程访问偏向对象，那么比较麻烦，需要把座位上的名字擦去，这称之为偏向锁撤销，锁也升级为轻量级锁
- 偏向锁撤销也属于昂贵的操作，怎么减少呢，JVM 会记录这一类对象被撤销的次数，如果超过了 20 这个阈值，下次新线程访问偏向对象时，就不用撤销了，而是刻上新线程的名字，这称为重偏向
- 如果撤销次数进一步增加，超过 40 这个阈值，JVM 会认为这一类对象不适合采用偏向锁，会对它们禁用偏向锁，下次新建对象会直接加轻量级锁

无锁与有锁

synchronized 更为重量，申请锁、锁重入都要发起系统调用，频繁调用性能会受影响
synchronized 如果无法获取锁时，线程会陷入阻塞，引起的线程上下文切换成本高
虽然做了一系列优化，但轻量级锁、偏向锁都是针对无数据竞争场景的
如果数据的原子操作时间较长，仍应该让线程阻塞，无锁适合的是短频快的共享数据修改操作主要用于计数器、停止标记、或是阻塞前的有限尝试

VarHandle

目前无锁问题实现

目前Java 中的无锁技术主要体现在以AtomicInteger 为代表的的原子操作类，它的底层使用Unsafe 实现，而Unsafe 的问题在于安全性和可移植性
此外，volatile 主要使用了Store-Load 屏障来控制顺序，这个屏障还是太强了，有没有更轻量级的解决方法呢？

Varhandle快速上手

在Java9 中引入了VarHandle，来提供更细粒度的内存屏障，保证共享变量读写可见性、有序性、原子性。提供了更好的安全性和可移植性，替代Unsafe 的部分功能

创建

public class TestVarHandle {
   int x;
   static VarHandle X;
   
   static {
       try {
           X = MethodHandles.lookup()
               .findVarHandle(TestVarHandle.class, "x", int.class);
       } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
           e.printStackTrace();
       }
   }
}

读写

方法名	作用	说明
get	获取值	与普通变量取值一样，会重排、有不可见现象
set	设置值
getOpaque	获取值	对其保护的变量，保证其不重排和可见性，但不使用屏障，不阻碍其它变量
setOpaque	设置值
getAcquire	获取值	相当于get 之后加LoadLoad + LoadStore
setRelease	设置值	相当于set 之前加LoadStore + StoreStore
getVolatile	获取值	语义同volatile，相当于获取之后加LoadLoad + LoadStore
setVolatile	设置值	语义同volatile，相当于设置之前加LoadStore + StoreStore，设置之后加StoreLoad
compareAndSet	原子赋值	原子赋值，成功返回true，失败返回false

更多安全问题

单个变量读写原子性

64 位系统vs 32 位系统
如果需要保证long 和double 在32 位系统中原子性，需要用volatile 修饰
JMM9 之前
JMM9 32 位系统下double 和long 的问题，double 没有问题，long 在-server -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:-AlwaysAtomicAccesses 才有问题

Object alignment

你或许听说过对象对齐，它的一个主要目的就是为了单个变量读写的原子性，可以使用jol 工具查看java 对象的内存布局

<dependency>
   <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
   <artifactId>jol-core</artifactId>
   <version>0.10</version>
</dependency>

测试类

public class TestJol {
   public static void main(String[] args) {
       String layout = ClassLayout.parseClass(Test.class).toPrintable();
       System.out.println(layout);
   }
   public static class Test {
       private byte a;
       private byte b;
       private byte c;
       private long e;
   }
}

开启对象头压缩（默认）输出

com.itheima.test.TestJol$Test object internals:
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
0    12        (object header)                           N/A
12     1   byte Test.a                                    N/A
13     1   byte Test.b                                    N/A
14     1   byte Test.c                                    N/A
15     1        (alignment/padding gap)             
16     8   long Test.e                                    N/A
Instance size: 24 bytes
Space losses: 1 bytes internal + 0 bytes external = 1 bytes total

不开启对象头压缩 -XX:-UseCompressedOops 输出

com.itheima.test.TestJol$Test object internals:
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
0    16        (object header)                           N/A
16     8   long Test.e                                    N/A
24     1   byte Test.a                                    N/A
25     1   byte Test.b                                    N/A
26     1   byte Test.c                                    N/A
27     5        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 5 bytes external = 5 bytes total

字分裂

前面也看到了，Java 能够保证单个共享变量读写是原子的，类似的数组元素的读写，也会提供这样的保证

byte[8]
[0][1][2][3]
[0][1][2][3]

如果上述效果不能保证，则称之为发生了字分裂现象，java 中没有字分裂，但Java 中某些实现会有类似字分裂现象，例如BitSet、Unsafe 读写等

数组元素读写测试

@JCStressTest
@Outcome(id = {"0", "-1"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ACCEPTABLE")
@Outcome(expect = Expect.FORBIDDEN, desc = "FORBIDDEN")
@State
public static class Case4 {
   byte[] b = new byte[256];
   int off = ThreadLocalRandom.current().nextInt(256);
   @Actor
   public void actor1() {
       b[off] = (byte) 0xFF;
   }
   @Actor
   public void actor2(I_Result r) {
       r.r1 = b[off];
   }
}

BigSet读写测试

@JCStressTest
@Outcome(id = "true, true", expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ACCEPTABLE")
@Outcome(expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "INTERESTING")
@State
public static class Case6 {
   BitSet b = new BitSet();
   @Actor
   public void a() {
       b.set(0);
   }
   @Actor
   public void b() {
       b.set(1);
   }
   @Arbiter
   public void c(ZZ_Result r) {
       r.r1 = b.get(0);
       r.r2 = b.get(1);
   }
}

Unsafe 直接操作内存

public class TestUnsafe {
   public static final long ARRAY_BASE_OFFSET =
UnsafeHolder.U.arrayBaseOffset(byte[].class);
   static byte[] ss = new byte[8];
   public static void main(String[] args) {
       System.out.println(ARRAY_BASE_OFFSET);
       UnsafeHolder.U.putInt(ss, ARRAY_BASE_OFFSET, 0xFFFFFFFF);
       System.out.println(Arrays.toString(ss));
   }
}

输出

16
[-1, -1, -1, -1, 0, 0, 0, 0]

来个压测

@JCStressTest
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ACCEPTABLE")
@Outcome(id = "-1", expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ACCEPTABLE")
@Outcome(expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "INTERESTING")
@State
public static class Case5 {
   byte[] ss = new byte[256];
   long base = UnsafeHolder.U.arrayBaseOffset(byte[].class);
   long off = base + ThreadLocalRandom.current().nextInt(256 - 4);
   @Actor
   public void writer() {
       UnsafeHolder.U.putInt(ss,  off, 0xFFFF_FFFF);
   }
   @Actor
   public void reader(I_Result r) {
       r.r1 = UnsafeHolder.U.getInt(ss, off);
   }
}

结果:

Observed state   Occurrences              Expectation  Interpretation
-1    25,591,098               ACCEPTABLE  ACCEPTABLE
-16777216           877   ACCEPTABLE_INTERESTING  INTERESTING
-256           923   ACCEPTABLE_INTERESTING  INTERESTING
-65536           925   ACCEPTABLE_INTERESTING  INTERESTING
0     5,093,890               ACCEPTABLE  ACCEPTABLE
16777215         1,673   ACCEPTABLE_INTERESTING  INTERESTING
255         1,758   ACCEPTABLE_INTERESTING  INTERESTING
65535         1,707   ACCEPTABLE_INTERESTING  INTERESTING

安全发布

构造也不安全

@JCStressTest
@Outcome(id = {"16", "-1"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ACCEPTABLE")
@Outcome(expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "INTERESTING")
@State
public static class Case1 {
   Holder f;
   int v = 1;
   @Actor
   public void a1() {
       f = new Holder(v);
   }
   @Actor
   void a2(I_Result r) {
       Holder o = this.f;
       if (o != null) {
           r.r1 = o.x8 + o.x7 + o.x6 + o.x5 + o.x4 + o.x3 + o.x2 + o.x1;
           r.r1 += o.y8 + o.y7 + o.y6 + o.y5 + o.y4 + o.y3 + o.y2 + o.y1;
       } else {
           r.r1 = -1;
       }
   }
   static class Holder {
       int x1, x2, x3, x4;
       int x5, x6, x7, x8;
       int y1, y2, y3, y4;
       int y5, y6, y7, y8;
       
       public Holder(int v) {
           x1 = v;
           x2 = v;
           x3 = v;
           x4 = v;
           x5 = v;
           x6 = v;
           x7 = v;
           x8 = v;
           y1 = v;
           y2 = v;
           y3 = v;
           y4 = v;
           y5 = v;
           y6 = v;
           y7 = v;
           y8 = v;
       }
   }
}

原因分析

比如有个Student类代码如下:

public class Student{
    final String name;
    int age;
    
    public Student(name,age){
        this.name =name;
        this.age = age;
    }
}

Student stu为共享变量
stu = new Student("zhangsan",18);

name如果没有final修饰

t =new Student(name,age)
stu = t
this.name = name
this.age =age

name如果有final修饰,位置任意

t=new Student(name,age)
this.name=name
this.age=age
>----StoreStore----<
stu = t

使用volatile改进

name 有volatile 修饰，注意位置必须在最后

t=new Student(name,age)
this.age=age
this.name=name
>----Store Load----<
stu =t

总结

JMM 是研究的是

多线程下Java 代码的执行顺序，实际代码的执行顺序与你编写的代码顺序不同
共享变量的读写操作，在竞态条件下，需要考虑共享变量读写的原子性、可见性、有序性

共享变量的问题起因

原子性是由于操作系统的分时机制，线程切换所致
有序性和可见性可能来自于编译器优化、处理器优化、缓存优化

JMM 制定了一些规则，理解这些规则，才能写出正确的线程安全代码

竞态条件会导致代码顺序被重排
利用synchronized、volatile 一些SA，可以控制线程内代码的执行顺序
线程切换时的执行顺序与可见性，遵守HB 规则
HB 规则还不足够，需要因果律作为补充
可以通过final 或volatile 实现对象的安全发布

从底层理解volatile 与synchronized

内存屏障
synchronized 是如何解决原子性、可见性、有序性问题的，有哪些优化
volatile 是如何解决可见性、有序性问题的，与cas 结合的威力
VarHandle 是如何解决可见性、有序性问题的

更多安全问题

单个变量、数组元素的读写原子性
能够列举字分裂的几个相关例子
构造方法什么情况下会线程不安全，如何改进
彻底掌握DCL 安全单例

posted @ 2020-08-20 21:26 有梦想的老王阅读(883) 评论(0) 编辑收藏举报

会员力量，点亮园子希望

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Java进阶专题(十三) 探究JMM

多线程读写共享变量

问题演示

永远的循环

加加减减

第四种可能

问题解密

循环问题-揭秘

加加减减问题-解密

第四种可能-揭秘

思考为什么

编辑器优化

Processor优化

execute out of order

缓存优化

例子

我们关注问题的点

JMM内存模型

什么是JMM

JMM规范

规则一 Race Condition

规则二 Syncronization Order

SO并不是阻止多线程切换

volatile 只用了一半算 SO 吗?

规则三 Happens Before

具体规则

1）线程的启动和运行边界

2）线程的结束和join边界

3）线程的打断和得知打断的边界

4）unlock 与 lock 边界

5）volatile write 与 volatile read 边界

6）传递性

规则四 Causality

规则五安全发布

同步动作

内存屏障

LoadLoad

LoadStore

StoreSotre

StoreLoad

如何记忆

Volatile

本质

作用

volatile的用途

Synchronized

优化（JDK1.6之后）

无锁与有锁

VarHandle

目前无锁问题实现

Varhandle快速上手

更多安全问题

单个变量读写原子性

Object alignment

字分裂

数组元素读写测试

BigSet读写测试

Unsafe 直接操作内存

安全发布

构造也不安全

使用volatile改进

总结

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