java并发编程汇总2:JMM java内存模型、as-if-serial原则、happens-before原则、volatile关键字

总体介绍,看之前写的博客:Java 并发编程(二):Java内存模型以及 happens-before 规则

整体架构也是:

  1. JMM介绍、抽象结构,重排序,as-if-serial,happens-before;
  2. 同时讲解:volatile关键字;

另参考其他博主的优质博客:吃透Java并发四:Java内存模型

然后再做一些补充:

1、共享变量:再次强调

  • 实例字段、静态字段和数组对象;但是不包括局部变量和方法参数,因为后者是线程私有的,不会被共享,自然不存在竞争的问题。

2、Java内存模型8种操作:

  • lock(锁定):作用于主内存的变量,它把一个变量标识为一条线程的独占的状态。
  • unlock(解锁):作用于主内存的变量,它把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其它线程锁定。
  • read(读取):作用于主内存的变量,它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用。
  • load(载入):作用于工作内存的变量,它把read操作从主内存中得到的变量值放入到工作内存的变量副本中。
  • use(使用):作用于工作内存的变量,它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将执行这个操作。
  • assign(赋值):作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
  • store(存储):作用于工作内存的变量,它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中,以便随后的write操作使用。
  • write(写入):作用于主内存的变量,它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存变量中。

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存:那就要按顺序地执行read和load操作

如果要把变量从工作内存同步回主内存,就要按顺序地执行store和write操作

注意,Java内存模型只要求上述两个操作按顺序执行,而没有保证必须是连续执行。也就是说read和load之间、store和write之间是可插入其他指令的,如对内存中的变量a、b进行访问时,一种可能出现的顺序是read a、read b、load b、load a;

除此之外,Java内存模型还规定了在执行上述八种操作时必须满足如下规则:

  • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现,即不允许一个变量从主内存读取了单工作内存不接受,或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况。
  • 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作,即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
  • 不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
  • 一个新的变量只能在主内存中“诞生”,不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load或assign)的变量,换句话说就是对一个变量实施use和store操作之前,必须先执行过了assign和load操作
  • 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作,但lock操作可以被同一条线程重复执行多次,多次执行lock后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。
  • 如果对一个变量执行lock操作,将会清空工作内存中次变量的值,在执行引擎使用这个变量前,需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
  • 如果一个变量事先没有被lock操作锁定,则不允许对它执行unlock操作;也不允许去unlock一个被其它线程锁住的变量。
  • 对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存中(执行store和write操作)。

3、重排序:

重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段;

as-if-serial语义的意思是:不管怎么重排序(编译器和处理器为了提高并行度),(单线程) 程序的执行结果不能被改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。

为了遵守as-if-serial语义,编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序,因为这种重排序会改变执行结果。但是,如果操作之间不存在数据依赖关系,这些操作就可能被编译器和处理器重排序。

在单线程程序中,对存在控制依赖的操作重排序,不会改变执行结果(这也是as-if-serial 语义允许对存在控制依赖的操作做重排序的原因);但在多线程程序中,对存在控制依赖的操作重排序,可能会改变程序的执行结果。

4、happens-before线性发生原则:

Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系,这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在,可能在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列,并且无法从下列规则推导出来的话,它们就没有顺序性保障,虚拟机可以对它们进行随意地重排序。

  1. 程序顺序规则:一个线程中的每个操作,happens-before于该线程中的任意后续操作;
  2. 监视器锁规则:对一个锁的解锁,happens-before于随后对这个锁的加锁;
  3. volatile变量规则:对一个volatile域的写,happens-before于任意后续对这个volatile域的读;
  4. 传递性:如果A happens-before B,且B happens-before C,那么A happens-before C;
  5. start() 规则:如果线程A执行操作ThreadB.start()(启动线程B),那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作;
  6. join() 规则:如果线程A执行操作ThreadB.join() 并成功返回,那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join() 操作成功返回;
  7. 程序中断规则:对线程interrupted() 方法的调用先行于被中断线程的代码检测到中断时间的发生;
  8. 对象finalize规则:一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行于发生它的finalize()方法的开始。

5、原子性、可见性、有序性:

Java 并发编程(四):三大性质总结:原子性,有序性,可见性

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的。

原子性

  • 由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write这六个,我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的(long和double的非原子协定例外);
  • 如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证(经常会遇到),Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求,尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用,但是却提供了更高层次的字节码指令 monitorenter 和 monitorexit 来隐式地使用这两个操作,这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块-----synchronized关键字。因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。

可见性

  • 可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值,其它线程能够立即得知这个修改;
  • java内存模型对可见性实现方式:Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存,在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性,无论是普通变量还是volatile变量都是如此;
  • 普通变量与volatile变量的区别是:volatile的特殊规则保证了新值(有修改)能立即同步到主内存,以及每次使用前立即从主内存刷新。因此我们可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性,而普通变量则不能保证这一点。
  • 除了volatile之外,Java还有两个关键字能实现可见性,它们是synchronized和final
  1. 同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存(执行store和write操作)”这条规则获得的;
  2. final关键字的可见性是指:被final修饰的字段在构造函数中一旦被初始化完成,并且构造器没有把“this”的引用传递出去(this引用逃逸是一件很危险的事情,其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象),那么在其他线程中就能看见final字段的值。

有序性

  • 如果在本线程内观察,所有的操作都是有序的,如果在一个线程中观察另一个线程,所有的操作都是无序的。
  • 前半句是指“线程内表现为串行的语义”,后半句是指“指令重排序”现象“工作内存与主内存同步延迟”现象
  • Java提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性:
  1. volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义;
  2. 而synchronized则是由“一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的,这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

6、volatile关键字:

当一个变量被定义成volatile之后,它将具备两种特性:

  • 第一是:保证此变量对所有线程的可见性,这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程来说是可以立即得知的;
  • 由于volatile变量只能保证可见性,在不符合以下两条规则的运算场景中,我们仍然要通过加锁(使用synchronized或java.util.concurrent中的原子类)来保证原子性:
  1. 运算结果不依赖变量的当前值,或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
  2. 变量不需要与其它的状态变量共同参与不变约束。
  • 第二是使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化;
  • 普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果,而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点,这也就是Java内存模型中描述的所谓“线程内表现为串行的语义”。
  • volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没什么差别,但是写操作则可能会慢上一些,因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。不过即便如此,大多数场景下volatile的总消耗仍然要比锁来得低,我们在volatile与锁中选择的唯一判断依据仅仅是volatile的语义能否满足使用场景的要求。

volatile总结:

  • 每次使用前都必须先从主内存刷新最新的值,用于保证能看到其它线程对变量所做的修改后的值。
  • 在工作内存中,每次修改后都必须立刻同步回主内存中,用于保证其它线程可以看到自己对变量的修改。
  • volatile修饰的变量不会被指令重排序优化,保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。

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转载自blog.csdn.net/ScorpC/article/details/113809019

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