多线程的实现原理

Posted 2021-01-04 hujinshui

JMM怎么解决原子性、可见性、有序性的问题？

在java中提供了一系列和并发处理相关的关键字，比如volatile、synchronized、final、juc等，这些就是java内存模型封装了底层的实现后提供给开发人员使用的关键字，在开发多线程代码的时候，我们可以直接使用synchronized等关键词来控制并发，使得我们不关心底

层的编译器优化、缓存一致性的问题了，所以在java内存模型中，除了定义了一套规范，还提供了开放的指令在底层进行封装后，提供给开发人员使用。

原子性：

在java中提供了两个高级的字节码指令monitorenter和monitorexit，在java中对应的synchronized来保证代码块内的操作是原子性的。

可见性：

在java中的volatile关键字提供了一个功能，那就是被其修饰的变量在被修改后可以立即同步到主内存，被其修饰的变量在每次使用之前都从主内存刷新。因此，可以使用volatile来保证多线程操作时变量的可见性。

除了volatile，java中synchronized和final两个关键字也可以实现可见性。

有序性：

在java中，可以使用synchronized和volatile来保证多线程之间操作的有序性。实现方式有所区别：

volatile关键字会禁止指令重排。synchronized关键字保证同一时刻只允许一条线程操作。

volatile如何保证可见性

Volatile 修饰共享变量，在进行写操作时会多出一个lock前缀的汇编指令，会触发总线锁和缓存锁，通过缓存一致性来解决可见性问题；

对于声明了volatile变量进行写操作，jvm会向处理器发送一条lock前缀的指令，把这个变量所在的缓存行数据写到系统内存里，在根据 Mesi缓存一致性协议，来保证多cpu下各个高速缓存的数据一致性。

volatile如何防止指令重排序

指令重排目的是为了提高cpu的利用率以及性能，cpu的乱序执行优化在单核的时代并不影响正确性，但是在多核时代的多线程能够在不同的 核心上真正实现并行，一旦线程之间共享数据，可能会出现一些不可预料的问题；

我们可以优化屏障和内存屏障来解决这个问题，一个是编译器的优化乱序和CPU的执行乱序；

从CPU层面来看，什么是内存屏障？

CPU的乱序执行，本质还是由于多CPU的机器上，每个CPU都有一个cache，当一个特定数据第一次被特定的cpu获取时，由于CPU缓存中不存在，就会到内存中去获取，被加载到高速缓存中后就能够从缓存中快速访问；当某个CPU在进行写操作后，要确保其他CPU已经将这个数据从缓存中移除，这样才能让其他CPU安全的修改数据。显然，存在多个cache时，我们必须通过cache一致性协议来避免数据不一致性的问题，而这个通讯的过程会导致乱序访问的问题，也是运行时的内存乱序的问题。

现在的cpu架构中已经提供了内存屏障的功能，在x86的cpu中，实现了相应的内存屏障。

写屏障（store barrier）、读屏障（load barrier） 和全屏障（full barrier）主要作用是：

1、防止指令重排序；

2、保证数据的可见性；

 

注意：

对于复合的操作，例如i++这种，volatile不能保证原子性。