java并发day03 JMM可见性 有序性 volatile底层原理 happens-before

Posted 2023-02-20 halulu.me

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JMM

JMM 即 Java Memory Model，它定义了主存、工作内存抽象概念，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

可见性

保证线程不会受到缓存的影响。

解决方法：

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。
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
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

有序性

保证指令不会受 cpu 指令并行优化的影响
JVM 会在不影响正确性的前提下，可以调整语句的执行顺序，这就是指令重排，多线程下指令重排会影响正确性。

指令重排的底层

每条指令都可以分为： 取指令 - 指令译码 - 执行指令 - 内存访问 - 数据写回 这 5 个阶段

instruction fetch (IF) 取指令
instruction decode (ID) 指令译码
execute (EX) 执行指令
memory access (MEM) 内存访问
register write back (WB) 数据写回

在不改变程序结果的前提下，这些指令的各个阶段可以通过重排序和组合来实现指令级并行。 现代 CPU 支持多级指令流水线，例如支持同时执行
取指令 - 指令译码 - 执行指令 - 内存访问 - 数据写回 的处理器，就可以称之为五级指令流水线。这时 CPU可以在一个时钟周期内，同时运行五条指令的不同阶段。本质上，流水线技术并不能缩短单条指令的执行时间，但它变相地提高了指令地吞吐率。

解决方法

volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排
防止之前的代码被重排序，写屏障

volatile底层原理

volatile 的底层实现原理是内存屏障

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

内存屏障Memory Barrier（Memory Fence）

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

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
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

volatile缺陷

写屏障仅仅是保证之后的读能够读到最新的结果，但不能保证读跑到它前面去
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
所以volatile不能解决共享变量在多线程上下文切换的原子性问题

double-checked locking问题

double-checked locking问题产生的原因在于构造方法还未执行完毕就被读取。
getstatic 这行代码在 monitor控制之外，它就像之前举例中不守规则的人，可以越过 monitor 读取INSTANCE 变量的值
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

double-checked locking解决

指令重排序的问题。

happens-before

happens-before 规定了对共享变量的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

1、线程解锁之前对变量的写，对于接下来加锁的其它线程对该变量的读可见
2、线程对 volatile 变量的写，对接下来其它线程对该变量的读可见
3、线程 start 前对变量的写，对该线程开始后对该变量的读可见
4、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）
5、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）
6、对变量默认值（0，false，null）的写，对其它线程对该变量的读可见
7、具有传递性，如果 x hb-> y 并且 y hb-> z 那么有 x hb-> z