2020-08-14 12:24 已编辑滴滴出行_网约车_后端开发

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【详解】Java多线程之内存模型三大特性

一、数据不一致的问题

CPU运行速度比较快，每次去内存读取数据就比较耗时
所以，CPU与内存之间会存在一个高速缓存来提高CPU的效率
这个高速缓存存放着从内存中读取的数据
当一个线程仅仅对数据是读取的操作，Java会认为该线程不需要刷新缓存。当有另一个线程，对数据进行修改时，第一个线程不可见，出现了数据不一致的问题

JMM模型

代码演示

public class Volatile {

    private static int INIT_VALUE = 0;

    private final static int MAX_LIMIT = 5;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {//负责修改数据
            int localValue = INIT_VALUE;
            while (localValue < MAX_LIMIT) {
                System.out.println("数值即将更新为" + ++localValue);
                INIT_VALUE = localValue;
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

        }, "UPDATER").start();


        new Thread(() -> {//新建一个读取数据的线程
            int localValue = INIT_VALUE;
            while (localValue < MAX_LIMIT) {
                if (localValue != INIT_VALUE) {//当数据发生更改
                    System.out.println("数据现在为" + INIT_VALUE);
                    localValue = INIT_VALUE;
                }
            }

        }, "READER").start();


    }
}

结果：

数值即将更新为1
数值即将更新为2
数值即将更新为3
数值即将更新为4
数值即将更新为5

二、解决方法

解决方法有两种方法：

给数据总线加锁

CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存）
由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。

CPU高速缓存一致性协议

例如 Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的，它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

三、JMM模型中的三个概念

原子性

一个操作或者多个操作要么全部执行成功，要么全部执行失败
类似于数据库理论中的原子性

比如

i = 9 时 :
9 的二进制为1001

执行赋值的操作时必须保证二进制的每一位都赋值成功

不能出现: i = 1000 或者 i = 0001

可见性

当多个线程修改同一个变量时，其他线程必须要能感知到
主要需要解决缓存不一致的问题

有序性

保证代码的顺序
这个主要避免Java优化器的重排序（只要求最终的一致性）

比如：

----------Thread-1----------------
init = true          2;
obj = createObj()    1;


----------Thread-2----------------
while(!init){
	sleep(100);
}
useTheObj(obj);
----------------------------------

在多线程时，出现了重排序让线程1的语句2执行在语句1的前面
此时线程2使用该对象时，就会出现空指针异常

四、Java中对三个特性的保证

保证原子性

对于基本数据类型的变量读取和赋值是保证了其原子性，这些操作不可中断

分析

i = 10; 原子性
b = a ; 不满足，1.load a,2. assign b
c++;    不满足，1.load c,2. add ,3. assign c
c = c+1;不满足，1.load c,2. add, 3. assign c

下面以cnt++举例

由此可以发现:对 int 类型读写操作满足原子性只是说明 load、assign、store 这些单个操作具备原子性
注：Java对64 位数据（long，double）的读写操作划分为两次 32 位的操作来进行，即 load、store、read 和 write 操作可以不具备原子性。

保证可见性

使用volatile关键字

但是不能保证其原子性
所有的线程都会直接去内存拿数据，而不再使用高速缓存，避免了缓存不一致的情况

synchronized

对一个变量执行 unlock 操作之前，必须把变量值同步回主内存。

final

被 final 关键字修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且没有发生 this 逃逸（其它线程通过 this 引用访问到初始化了一半的对象），那么其它线程就能看见 final 字段的值。

保证有序性（happens-before relationship）

1. 单一线程原则

在一个线程内，在程序前面的操作先行发生于后面的操作

2. 管程锁定规则

一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作

3. volatile 变量规则

对一个 volatile 变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。

4. 线程启动规则

Thread 对象的 start() 方法调用先行发生于此线程的每一个动作

5. 线程加入规则

Thread 对象的结束先行发生于 join() 方法返回。

6. 线程中断规则

对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过 interrupted() 方法检测到是否有中断发生

7. 对象终结规则

一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的 finalize() 方法的开始。

8. 传递性

如果操作 A 先行发生于操作 B，操作 B 先行发生于操作 C，那么操作 A 先行发生于操作 C

五、volatile关键字

一个共享变量被volatile修饰，具备两层语义

强制对缓存的修改操作立刻写入到主存中，并且会使其他线程的缓存失效。保证了线程间的可见性
禁止对其进行重排序，不会把后面的指令放在前面，也不会把前面的指令放在后面。也就是保证了有序性
并未保证原子性

public class Volatile {

    private static volatile int INIT_VALUE = 0;

    private final static int MAX_LIMIT = 5;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {//负责修改数据
            int localValue = INIT_VALUE;
            while (localValue < MAX_LIMIT) {
                System.out.println("数值即将更新为" + ++localValue);
                INIT_VALUE = localValue;
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

        }, "UPDATER").start();


        new Thread(() -> {//新建一个读取数据的线程
            int localValue = INIT_VALUE;
            while (localValue < MAX_LIMIT) {
                if (localValue != INIT_VALUE) {//当数据发生更改
                    System.out.println("数据现在为" + INIT_VALUE);
                    localValue = INIT_VALUE;
                }
            }

        }, "READER").start();


    }
}

六、volatile使用场景

1. 状态量的标记

volatile boolean flag = true;

while(flag){
//....
}

.....

因为线程只存在读的操作，所以加了volatile可以让线程读取的数据是内存中最新的数据

2. 保证屏障前后的一次性


private boolean volatile  init  = false
----------Thread-1----------------

obj = createObj()    1;
.....                2;
init = true          3;
....                 4;
....                 5;


----------Thread-2----------------
while(!init){
	sleep(100);
}
useTheObj(obj);
----------------------------------

可以保证1、2一定在3执行之前，4、5一定再3执行之后，但是不能保证1、2和3、4的顺序

七、重排序的验证

以下代码可以验证Java的重排序

public class Main {

    /** * 这是一个验证结果的变量 */
    private static int a = 0;
    /** * 这是一个标志位 */
    private static boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //由于多线程情况下未必会试出重排序的结论,所以多试一些次
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            ThreadA threadA = new ThreadA();
            ThreadB threadB = new ThreadB();
            threadA.start();
            threadB.start();
            //这里等待线程结束后,重置共享变量,以使验证结果的工作变得简单些.
            threadA.join();
            threadB.join();
            a = 0;
            flag = false;
        }
    }

    static class ThreadA extends Thread {
        public void run() {
            a = 1;
            flag = true;
        }
    }

    static class ThreadB extends Thread {
        public void run() {
            if (a == 0 && flag) {
                System.out.println("ha,a==0");
            }
        }
    }
}