JVM保证线程安全

Posted 2020-08-25 橙子味的小云儿

 线程安全

Java内存模型中，程序（进程）拥有一块内存空间，可以被所有的线程共享，即MainMemory（主内存）；而每个线程又有一块独立的内存空间，即WorkingMemory（工作内存）。普通情况下，当线程需要对某一共享变量进行修改时，通常会进行如下的过程：

1.      从主内存中拷贝变量的一份副本，并装载到工作内存中；

2.      在工作内存中执行代码，修改副本的值；

3.      用工作内存中的副本值更新主存中的相关变量值。

如下图：

所谓“线程安全”，即多个线程同时执行同一段代码时，不会出现不确定的或者与单线程条件下不一致的结果。通常，下列三种条件居其一的并发访问被JVM认为是线程安全的：

1.      有final关键字修饰且已被赋值；

2.      有volatile关键字修饰；

3.      有锁保护（synchronized、ReentrantLock等）。

第1点显而易见，不再赘述。

volatile关键字的作用是告知JVM：它所修饰的域的原子操作都不需要经过线程的工作内存，而直接在主内存中进行修改。这样就保证了线程从主内存中读取（read）它的值的时候，总是最新的。但是，Java中的运算极少是原子的，即便是像++ 这样的一元运算符或者+= 这样的二元运算符都不是原子的，因此volatile关键字修饰的域在多线程环境下依然可能会读写出“脏”数据：它只保证每一步原子操作的线程安全，但不保证整个操作过程的线程安全。也因此，volatile主要被用于变量只有原子操作的场合，如赋值、移位等。

锁，无论是显式（ReentrantLock）还是隐式（synchronized）的同步锁，或是信号量（Semaphore），抑或是阻塞队列（BlockingQueue），还是其它的同步措施（CyclicBarrier、CountDownLatch、wait&notify等），它们的作用都是一样的，就是保证一个共享变量的副本进入到某个线程的工作内存之后，该共享变量就不再会被其它线程访问到，直到前述过程的第3步执行完成。

线程在有同步锁的情况下访问共享变量的过程如下：

1.      获取同步锁

2.      清空工作内存

3.      从主内存将拷贝变量副本，并装载到工作内存

4.      对副本执行代码

5.      用副本数据更新主内存中的相关变量

6.      释放同步锁

通常，没有获得同步锁的线程将被阻塞，直到它竞争到同步锁。这样，没有获得同步锁的线程不仅不能访问数据，甚至都不能继续运行，于是强迫性地保证了线程安全。也因此，线程安全代码的开销要大于不安全的代码，同步锁的开销也要大于volatile。