并发编程：JAVA并发编程的一些基础原理

Posted 2020-12-17 挣扎一下

Volatile关键字

保证线程间共享变量的可见性、有序性。
如何保证可见性：多了一个Lock的汇编指令。

什么是可见性

• 硬件
  • 运行速度：CPU > 内存 > IO设备；所以在硬件的使用中，为了提高效率
    • CPU增加了高速缓存
      • 读数据时，从内存读，然后缓存到CPU缓存，线程修改变量时会先同步到缓存，再同步到主内存。这时候会出现缓存一致性问题，CPU层面解决该问题的方案是总线锁，缓存锁。
      • 缓存一致性协议（MESI）S：Shared；E：Exclusive；I：Invalid；M：Modify。缓存处于I状态时，必须去主内存读；缓存处于S状态时，写数据必须先让其他CPU缓存变为I状态。
      • MESI协议又会导致在Invalidate其他线程变量时有阻塞，引入了storebuffer，指令写入到storebuffer，降低阻塞。但是这又会导致执行乱序，引发新的可见性问题。CPU层面提供了指令->内存屏障来解决可见性问题。三种屏障：写屏障（之前的结果必须对后面可见）、读屏障（读屏障之后的指令一定能读到最新数据）、全屏障。
    • 引入线程、进程
    • 指令优化：重排序
• JMM（Java Memory Model）
  • 为了解决平台差异化的问题，Java提供了JMM（语言级别的抽象内存模型），核心价值是解决了可见性和有序性的问题。
  • 概念
    • 工作内存：线程本地内存
    • 主内存：线程共享的内存
    • 线程会先读工作内存，再读主内存。在这种情况下，还是会存在可见性问题。为了解决这些问题，java引入了jvm级别的4种屏障：loadload，storestore，loadstore，storeload
      • loadload：该屏障之前的读一定能被后面读到
      • storestore：前面的写先于后面的写（后面写能知道前面的写）
      • loadsotre：前面的读先于后面的写（后面能写到前面的读）
      • storeload：前面的写先于后面的读（后面能读到前面的写）
        还引入了volatile、synchronized、final、happens-before一些关键字和原则。
    • 重排序：java源代码->编译期重排序->cpu重排序->最终执行的顺序；重排序不能改变程序单线程运行下的结果（as-if-serial）。
  • volatile
    • volatile通过语言级别的屏障指令，保证缓存每次都被刷到主内存，读取均从主内存读，来保证可见性
    • volatile同时还保证了有序性（经典用法就是解决double-check单例模式对象new过程中的重排序）
    • volatile不能保证原子性
  • happens-before原则
    • 1、程序的顺序规则：一个线程中的任意操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。
    • 2、volatile规则：对一个volatile字段的写，happens-before于任意后续对该字段的读。
    • 3、传递性规则：如果A happens-before B，B happens-before C，那么A一定 happens-before C。
    • 4、start()规则：如果A线程操作执行B线程的start()，那么A线程的B.start() happens-before B线程中的任意操作。
    • 5、join()规则：如果A线程执行操作B线程的join()并成功返回，那么B线程的任意操作一定happens-before 线程A的 B.join()。
    • 6、监视器锁规则：对锁的释放 happens-before 后续对该锁的获取。
    • 7、程序中断规则：线程A对线程B interrupted()调用 happens-before B线程检测到被中断线程的中断时间（抛出interruptException）。
    • 8、对象finalize规则：对象的初始化完成 happens-before 它的finalize()方法。