JVMJVM08(java内存模型解析[JMM])

Posted 2022-02-22 温文艾尔

⭐️写在前面

---

• 这里是温文艾尔の学习之路
• 👍如果对你有帮助，给博主一个免费的点赞以示鼓励把QAQ
• 👋博客主页🎉 温文艾尔の学习小屋
• ⭐️更多文章👨‍🎓请关注温文艾尔主页📝
• 🍅文章发布日期：2022.02.15
• 👋java学习之路！
• 欢迎各位🔎点赞👍评论收藏⭐️
• 🎄新年快乐朋友们🎄
• 👋jvm学习之路！
• ⭐️上一篇内容：【JVM】JVM07(类加载阶段详细解析)

文章目录

• 1.java内存模型
• 1.1原子性
• java内存模型中保证原子性的方法
• 1.2可见性
• 1.2.1可见性
• 1.3有序性
• 1.3.1解决方法
• 1.3.2有序性的理解

---

1.java内存模型

java内存模型-Java Memory Model的意思，这个要和java内存结构进行区分

简单的说，JMM定义了一套才多线程读写共享数据时（成员便来那个、数组）时，对数据的可见性、有序性和原子性的规则和保障

1.1原子性

java中对静态变量的自增，自减并不是原子操作
例如对i++而言（i为静态变量），实际会产生如下的JVM字节码指令：

getstatic i //获取静态变量i的值
iconst_1 //准备常量1
iadd //自增
putstatic i //将修改后的值存入静态变量    

而对应i–也是类似：

getstatic i //获取静态变量i的值
iconst_1 //准备常量1
isub //自减
putstatic i //将修改后的值存入静态变量   

而java的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和内存之间进行数据交换

如果是单线程以上代码是顺序执行（不会交错），没有问题：

//i的初始值为0
getstatic i //获取静态变量i的值
iconst_1 //准备常量1
iadd //自增 线程内i=1
putstatic i //将修改后的值存入静态变量，静态变量i=1    
getstatic i //获取静态变量i的值,线程内i=1
iconst_1 //准备常量1
isub //自减 线程内i=0
putstatic i //将修改后的值存入静态变量 静态变量i=0      

在多线程下这几行代码可能会交错进行
出现负数的情况：

getstatic i //线程1-获取静态变量i的值,线程内i=0
getstatic i //线程2-获取静态变量i的值,线程内i=0
iconst_1 //线程1-准备常量1
iadd //线程1-自增 线程内i=1
putstatic i //线程1-将修改后的值存入静态变量，静态变量i=1  
iconst_1 //线程2-准备常量1
iadd //线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i //线程2-将修改后的值存入静态变量，静态变量i=-1   

出现正数的情况：

getstatic i //线程1-获取静态变量i的值,线程内i=0
getstatic i //线程2-获取静态变量i的值,线程内i=0
iconst_1 //线程1-准备常量1
iadd //线程1-自增 线程内i=1
iconst_1 //线程2-准备常量1
iadd //线程2-自增 线程内i=-1
putstatic i //线程2-将修改后的值存入静态变量，静态变量i=-1 
putstatic i //线程1-将修改后的值存入静态变量，静态变量i=1  

java内存模型中保证原子性的方法

synchronized (同步关键字)

语法

synchronized (对象)
    要作为原子操作代码

用synchronized解决并发问题：

public class Demo01 
    static int i = 0;
    static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Thread t1 = new Thread(()->
            for (int j = 0; j < 5000; j++) 
                synchronized (obj)
                    i++;
                
            
        );

        Thread t2 = new Thread(()->
            for (int j = 0; j < 5000; j++) 
                synchronized (obj)
                    i--;
                
            
        );
        t1.start();
        t2.start();

        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    

i=0

可以想象Thread1和Thread2两个人，要执行的是一个房间，而object是一把锁，Thread1进入房间（执行）后房间上锁，Thread2要想进入房间除非Thread1出房间

注意上例中Thread1和Thread2必须用synchronized锁住同一个obj对象，如果ti锁住的是m1对象，t2锁住的是m2对象，就好比两个人分别进入了两个不同的房间，没法起到同步的效果

1.2可见性

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：

public class Demo02 
    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;
    

分析一下：
1.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。

2.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，减少主存中run的访问，提高效率

3.1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
volatile（易变关键字）

他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，必须到主存中获取值。线程操作volatile变量都是直接操作主存

public class Demo02 
    static volatile boolean run = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        Thread t = new Thread(()->
            while (run)
                //...
            
        );
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        run = false;
    

可以看到1s之后程序结束了

1.2.1可见性

上面例子体现的实际就是可见性，他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：

上例从字节码理解是这样的

getstatic run //线程t获取 run true
getstatic run //线程t获取 run true
getstatic run //线程t获取 run true
getstatic run //线程t获取 run true
putstatic run //线程main修改run为false，仅此一次
getstatic run //线程t获取 run false

比较一下之前我们将线程安全时举的例子，两个线程一个i++，一个i–

getstatic i //线程1-获取静态变量i的值,线程内i=0
getstatic i //线程2-获取静态变量i的值,线程内i=0
iconst_1 //线程1-准备常量1
iadd //线程1-自增 线程内i=1
putstatic i //线程1-将修改后的值存入静态变量，静态变量i=1  
iconst_1 //线程2-准备常量1
iadd //线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i //线程2-将修改后的值存入静态变量，静态变量i=-1   

注意
synchronized语句块即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，线程也能正确看到对run变量的修改了，想想为什么？

我们查看源码

    public void println() 
        newLine();
    


    private void newLine() 
        try 
            synchronized (this) 
                ensureOpen();
                textOut.newLine();
                textOut.flushBuffer();
                charOut.flushBuffer();
                if (autoFlush)
                    out.flush();
            
        
        catch (InterruptedIOException x) 
            Thread.currentThread().interrupt();
        
        catch (IOException x) 
            trouble = true;
        
    

发现输出语句是加了synchronized锁

1.3有序性

执行下列代码

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;

I_Result是一个对象，有属性r1用来保存结果，那么可能的结果有几种呢？
除了结果为1,4的情况外，结果还有可能为0
这种情况为：
线程2执行ready=true，切换到线程1，进入if分支，相加为0，再切回线程2执行num=2
这种现象叫做指令重排，是JIT编译器在运行时做的一些优化

1.3.1解决方法

volatile修饰的变量可以禁用指令重排

1.3.2有序性的理解

同一个线程内。JVM会在不影响正确性的前提下，可以调整语句的执行顺序

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，对最终结果不会产生影响。所以上面代码真正执行时，即可以是

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，例如注定的double-checked locking模式实现单例

public class Singleton 
    public 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
        if (INSTANCE == null)
            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

但在多线程环境下，上面的代码还是有问题的，INSTANCE = new Singleton();对应的字节码为：

new   #2
dup
invokespecial #3
putstatic #4

其中4 7两步的顺序是不固定的，也许jvm会优化为：现将引用地址赋值给INSTANCE变量后，再执行构造方法，如果两个线程t1，t2按如下时间序列执行：

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)

这是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拿到将是一个未初始化完毕的单例

对INSTANCE使用volatile修饰即可，可以使用指令重排，但要注意在JDK5以上的版本的volatile才会真正有效