并发编程（学习笔记-共享模型之内存）-part4

Posted 2021-12-07 LL.LEBRON

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了并发编程（学习笔记-共享模型之内存）-part4相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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并发编程-4-共享模型之内存

并发编程-4-共享模型之内存

本文章视频指路👉黑马程序员-并发编程

1.Java内存模型

JMM 即 Java Memory Model，它定义了主存（共享内存）、工作内存（线程私有） 抽象概念，底层对应着 CPU 寄存器、缓存、硬件内存、 CPU 指令优化等。

JMM体现在以下几个方面：

原子性 - 保证指令不会受到线程上下文切换的影响
可见性 - 保证指令不会受 cpu 缓存的影响
有序性 - 保证指令不会受 cpu 指令并行优化的影响

2.可见性

2-1 退不出的循环

先来看一个现象，main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致了 t 线程无法停止：

static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t = new Thread(()->{
        while(run){
            // ....
        }
    });
    t.start();
    Thread.sleep(1000);
    run = false; // 线程t不会如预想的停下来
}

为什么无法退出该循环？

初始状态， t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存。
因为 t 线程要频繁从主内存中读取 run 的值，JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中，减少对主存中 run 的访问，提高效率
1 秒之后，main 线程修改了 run 的值，并同步至主存，而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量的值，结果永远是旧值

解决办法

使用 volatile（易变关键字）
它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存

2-2 可见性vs原子性

前面例子体现的实际就是可见性，它保证的是在多个线程之间，一个线程对volatile变量的修改对另一个线程可见，不能保证原子性，仅用在一个写线程，多个读线程的情况

注意：
synchronized 语句块既可以保证代码块的原子性，也同时保证代码块内变量的可见性。

但缺点是 synchronized 是属于重量级操作，性能相对更低。
如果在前面示例的死循环中加入 System.out.println() 会发现即使不加 volatile 修饰符，线程 t 也能正确看到对 run 变量的修改了，想一想为什么？

进入println源码，可以看出加了synchronized，保证了每次run变量都会从主存中获取
public void println(int x) {
    synchronized (this) {
        print(x);
        newLine();
    }
}

3.有序性

3-1 诡异的结果

看下面一个栗子：

int num = 0;
boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
    if(ready) {
        r.r1 = num + num;
    } else {
        r.r1 = 1;
    }
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) {
    num = 2;
    ready = true;
}

看到这里可能聪明的小伙伴会想到有下面三种情况：

情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1

情况2：线程2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结果为1

情况3：线程2 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）

但其实还有可能为0哦！ 😲

有可能还是：线程 2 执行 ready=true ，切换到线程1 ，进入if分支，相加为0，在切回线程 2 执行 num=2

这种现象就是指令重排

3-2 解决方法

volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排

@JCStressTest
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!")
@State
public class ConcurrencyTest {
    int num = 0;
    volatile boolean ready = false;//可以禁用指令重排
    @Actor
    public void actor1(I_Result r) {
        if(ready) {
            r.r1 = num + num;
        } else {
            r.r1 = 1;
        }
    }
    @Actor
    public void actor2(I_Result r) {
        num = 2;
        ready = true;
    }
}

3-3 有序性理解

同一线程内，JVM会在不影响正确性的前提下，可以调整语句的执行顺序，看看下面的代码：

static int i;
static int j;
// 在某个线程内执行如下赋值操作
i = ...; // 较为耗时的操作
j = ...;

可以看到，至于是先执行 i 还是先执行 j ，对最终的结果不会产生影响。所以，上面代码真正执行时，既可以是

i = ...; // 较为耗时的操作
j = ...;

也可以是

j = ...;
i = ...; // 较为耗时的操作

这种特性称之为指令重排，多线程下指令重排会影响正确性

3-4 happens-before

happens-before 规定了对共享变量写操作对其它线程的读操作可见，它是可见性与有序性的一套规则总结，抛开以下 happens-before 规则，JMM 并不能保证一个线程对共享变量的写，对于其它线程对该共享变量的读可见

线程解锁 m 之前对变量的写，对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见

static int x;
static Object m = new Object();
new Thread(()->{
    synchronized(m) {
        x = 10;
    }
},"t1").start();
new Thread(()->{
    synchronized(m) {
        System.out.println(x);
    }
},"t2").start()

线程对 volatile 变量的写，对接下来其它线程对该变量的读可见

volatile static int x;
new Thread(()->{
    x = 10;
},"t1").start();
new Thread(()->{
    System.out.println(x);
},"t2").start();

线程 start 前对变量的写，对该线程开始后对该变量的读可见

static int x;
x = 10;
new Thread(()->{
    System.out.println(x);
},"t2").start();

线程结束前对变量的写，对其它线程得知它结束后的读可见（比如其它线程调用 t1.isAlive() 或 t1.join()等待它结束）
```
static int x;
Thread t1 = new Thread(()->{
    x = 10;
},"t1");
t1.start();
t1.join();
System.out.println(x);
```

线程 t1 打断 t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见（通过t2.interrupted 或 t2.isInterrupted）

static int x;
public static void main(String[] args) {
    Thread t2 = new Thread(()->{
        while(true) {
            if(Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                System.out.println(x);//10
                break;
            }
        }
    },"t2");
    t2.start();
    new Thread(()->{
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        x = 10;
        t2.interrupt();
    },"t1").start();
    while(!t2.isInterrupted()) {
        Thread.yield();
    }
    System.out.println(x);//10
}

对变量默认值（0，false，null）的写，对其它线程对该变量的读可见

具有传递性，如果 x hb-> y 并且 y hb-> z 那么有 x hb-> z

volatile static int x;
static int y;
new Thread(()->{ 
    y = 10;
    x = 20;//写屏障，y也会同步到主存
},"t1").start();
new Thread(()->{
    // x=20 对 t2 可见, 同时 y=10 也对 t2 可见
    System.out.println(x); 
},"t2").start();

以上变量都是指共享变量即成员变量或静态资源变量

4.volatile 原理

volatile的底层实现原理是内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）

对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障
对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障

4-1 如何保证可见性

写屏障（sfence）保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中

public void actor2(I_Result r) {
    num = 2;
    ready = true; // ready 是 volatile 赋值带写屏障
    // 写屏障
}

读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中新数据

public void actor1(I_Result r) {
    // 读屏障
    // ready 是 volatile 读取值带读屏障
    if(ready) {
        r.r1 = num + num;
    } else {
        r.r1 = 1;
    }
}

4-2 如何保证有序性

写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后

public void actor2(I_Result r) {
    num = 2;
    ready = true; // ready 是 volatile 赋值带写屏障
    // 写屏障
}

读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

public void actor1(I_Result r) {
    // 读屏障
    // ready 是 volatile 读取值带读屏障
    if(ready) {
        r.r1 = num + num;
    } else {
        r.r1 = 1;
    }
}

但是，不能解决指令交错：

写屏障仅仅是保证本线程之后的读能够读到最新的结果，但不能保证其他线程读跑到它前面去
有序性的保证也只是保证了本线程内相关代码不被重排序

4-3 double-checked locking 问题

以著名的 double-checked locking 单例模式为例

public class Singleton {
    private Singleton() {
    }
    private static Singleton INSTANCE = null;
    public static Singleton getInstance() {
        //实例没创建，才会进入内部的 synchronized 代码块,提高性能，防止每次都加锁
        if (INSTANCE == null) {
            //可能第一个线程在synchronized 代码块还没创建完对象时，第二个线程已经到了这一步，所以里面还需要加上判断
            synchronized (Singleton.class) {
                //也许有其他线程已经创建实例，所以再判断一次
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

以上的实现特点是：

懒惰实例化
首次使用 getInstance() 才使用 synchronized 加锁，后续使用时无需加锁
有隐含的，但很关键的一点：第一个 if 使用了 INSTANCE 变量，是在同步块之外但在多线程环境下，上面的代码是有问题的

INSTANCE = new Singleton() 对应的字节码为：

0: new #2 // class cn/itcast/jvm/t4/Singleton
3: dup
4: invokespecial #3 // Method "<init>":()V
7: putstatic #4 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/jvm/t4/Singleton;

其中4 7 两步顺序不是固定的，也许 jvm 会优化为：先将引用地址赋值给 INSTANCE 变量后，再执行构造方法，如果两个线程 t1,t2 按如下时间顺序执行：

时间1 t1 线程执行到 INSTANCE = new Singleton();
时间2 t1 线程分配空间，为Singleton对象生成了引用地址（0 处）
时间3 t1 线程将引用地址赋值给 INSTANCE，这时 INSTANCE != null（7 处）
时间4 t2 线程进入getInstance() 方法，发现 INSTANCE != null（synchronized块外），直接
返回 INSTANCE
时间5 t1 线程执行Singleton的构造方法（4 处）

这时 t1 还未完全将构造方法执行完毕，如果在构造方法中要执行很多初始化操作，那么 t2 拿到的是将是一个未初始化完毕的单例

对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可，可以禁用指令重排，但要注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才会真正有效

最后喜欢的小伙伴别忘了一键三连哦🍭🍭🍭

以上是关于并发编程（学习笔记-共享模型之内存）-part4的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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