JVM--内存模型
目录
- JMM 定义了一套在多线程读写共享数据时（成员变量、数组）时，对数据的可见性、有序性、和原子性的规则和保障。
- 跟内存结构没有关系
1. 原子性
- 问题提出，两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？
代码如下
public class Demo4_1 {
static int i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 50000; j++) {
i++;
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 50000; j++) {
i--;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
}
问题分析
- 以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作。
- JVM就会交错的执行两个线程
例如对于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 // 加法
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
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 // 减法
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，线程在工作内存，自减需要在<mark>主存和线程</mark>内存中进行数据交换：
-
内存模型是将内存分为主内存和工作内存
-
如果是
单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题 -
但多线程下这 8 行代码可能交错运行（为什么会交错？思考一下）：
出现负数的情况：
出现正数的情况：
解决方法
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 Demo4_1 {
static int i = 0;
static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (obj) {
for (int j = 0; j < 50000; j++) {
i++;
}
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (obj) {
for (int j = 0; j < 50000; j++) {
i--;
}
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
}
- 如何理解呢：你可以把 obj 想象成一个房间，线程 t1，t2 想象成两个人。
当线程 t1 执行到 synchronized(obj) 时就好比 t1 进入了这个房间，并反手锁住了门，在门内执行count++ 代码。 - 这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(obj) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待。
- 当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会解开门上的锁，从 obj 房间出来。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，反锁住门，执行它的 count-- 代码。
注意：上例中 t1 和 t2 线程必须用 synchronized 锁住
同一个 obj 对象，如果 t1 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。
2. 可见性
退不出的循环
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 Demo {
private static int i = 0;
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; // 线程t不会如预想的停下来
}
}
为什么呢？分析一下：
-
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。
-
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，减少对主存中 run 的访问，提高效率
- 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
解决方法
volatile（易变关键字）
它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，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存
<mark>注意这个关键字不能保证原子性</mark>
可见性
前面例子体现的实际就是可见性，它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：
- 多用在多个人写，多个人读数据，保证读取的数据是最新的
- 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-- ，只能保证看到最新值，不能解决指令交错
注意 synchronized 语句块
既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 t 也能正确看到对 run 变量的修改了，想一想为什么？
因为println()使用了synchronized关键字
3. 有序性
诡异的结果
I_Result 是一个对象，有一个属性 r1 用来保存结果，问，可能的结果有几种？
有同学这么分析
- 情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1
- 情况2：线程2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结果为1
- 情况3：线程2 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）
但我告诉你，结果还有可能是 0
-
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 编译器在运行时的一些优化，这个现象需要通过大量测试才能复现： -
借助 java 并发压测工具 jcstress https://wiki.openjdk.java.net/display/CodeTools/jcstress
mvn archetype:generate -DinteractiveMode=false -
DarchetypeGroupId=org.openjdk.jcstress -DarchetypeArtifactId=jcstress-java-testarchetype -DgroupId=org.sample -DartifactId=test -Dversion=1.0
创建 maven 项目，提供如下测试类
@JCStressTest
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!")
@State
public class ConcurrencyTest {
int num = 0;
boolean ready = false;
@Actor
public void actor1(I_Result r) {
if(ready) {
r.r1 = num + num;
} else {
r.r1 = 1;
}
} @
Actor
public void actor2(I_Result r) {
num = 2;
ready = true;
}
}
执行
mvn clean install
java -jar target/jcstress.jar
会输出我们感兴趣的结果，摘录其中一次结果：
解决方法
volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排
结果：
有序性理解
JVM 会在不影响正确性的前提下，可以调整语句的执行顺序，思考下面一段代码
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 ，对最终的结果不会产生影响。所以，上面代码真正执行时，既可以是
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，例如著名的 double-checked locking 模式实现单例
public final class Singleton {
private 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) {
// 也许有其它线程已经创建实例，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，上面的代码是有问题的， INSTANCE = new Singleton() 对应的字节码为：
其中 4 7 两步的顺序不是固定的，也许 jvm 会优化为：先将引用地址赋值给 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：
- 这时 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 拿到的是将是一个未初始化完毕的单例
- 对 INSTANCE 使用
volatile修饰即可，可以禁用指令重排，但要注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才会真正有效
happens-before
happens-before 规定了哪些写操作对其它线程的读操作可见，它是可见性与有序性的一套规则总结，抛开以下 happens-before 规则，JMM 并不能保证一个线程对共享变量的写，对于其它线程对该共享变量的读可见
- 线程解锁 m 之前对变量的写，对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见
static int x;
static Object m = new Object();
new Thread(() -> {
synchronized (m) {
x = 10;
}
}, "t1").start();
new Thread(() -> {
synchronized (m) {
System.out.println(x);
}
}, "t2").start();
- 线程对 volatile 变量的写，对接下来其它线程对该变量的读可见
4. CAS 与 原子类
CAS
- CAS 即
Compare and Swap，它体现的一种乐观锁的思想，比如多个线程要对一个共享的整型变量执行 +1 操作 - 结合
volatile，保证拿到的数据是最新的 - 提倡无锁开发
获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于竞争不激烈、多核 CPU 的场景下。
- 因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
- 但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响
CAS 底层依赖于一个 Unsafe 类来直接调用操作系统底层的 CAS 指令，下面是直接使用 Unsafe 对象进行线程安全保护的一个例子(需要根据反射的方式调用)
乐观锁与悲观锁
CAS是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。synchronized是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
原子操作类
- juc（java.util.concurrent）中提供了原子操作类，可以提供线程安全的操作，例如：AtomicInteger、AtomicBoolean等，它们底层就是采用 CAS 技术 + volatile 来实现的。
- 可以使用 AtomicInteger 改写之前的例子：
public class Demo {
// 创建原子整数对象
private static AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 5000; j++) {
i.getAndIncrement(); // 获取并且自增 i++
// i.incrementAndGet(); // 自增并且获取 ++i
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 5000; j++) {
i.getAndDecrement(); // 获取并且自减 i--
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
}
5. synchronized 优化
Java HotSpot 虚拟机中，每个对象都有对象头（包括 class 指针和 Mark Word）。Mark Word 平时存储这个对象的 哈希码、分代年龄 ，当加锁时，这些信息就根据情况被替换为 标记位、 线程锁记录指针 、重量级锁指针 、 线程ID 等内容
轻量级锁
如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。这就好比：
- 学生（线程 A）用课本占座，上了半节课，出门了（CPU时间到），回来一看，发现课本没变，说明没有竞争，继续上他的课。 如果这期间有其它学生（线程 B）来了，会告知（线程A）有并发访问，线程A 随即升级为重量级锁，进入重量级锁的流程。
- 而重量级锁就不是那么用课本占座那么简单了，可以想象线程 A 走之前，把座位用一个铁栅栏围起来假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁
static Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
method2();
}
}
public static void method2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
}
}
- 每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的 Mark Word
锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。
static Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块
}
}
重量锁
重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。
在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。
- 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
- 好比等红灯时汽车是不是熄火，不熄火相当于自旋（等待时间短了划算），熄火了相当于阻塞（等待时间长了划算）
- Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能
自旋重试成功的情况:
- 自旋重试多次后，会终止自旋
- 自旋的次数是自适应的，并不是固定值，如果经常自旋成功，自旋的次数会增加
偏向锁
优化锁重入
轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS.
- 撤销偏向需要将持锁线程升级为轻量级锁，这个过程中所有线程
需要暂停（STW） - 访问对象的 hashCode 也会撤销偏向锁
- 如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID
- 撤销偏向和重偏向都是批量进行的，以类为单位
- 如果撤销偏向到达某个阈值，整个类的所有对象都会变为不可偏向的
- 可以主动使用 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁
可以参考这篇论文：https://www.oracle.com/technetwork/java/biasedlocking-oopsla2006-wp-149958.pdf
假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁
static Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
method2();
}
}
public static void method2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
}
}
其它优化
1. 减少上锁时间
- 同步代码块中尽量短
2. 减少锁的粒度
将一个锁拆分为多个锁提高并发度，例如：
- ConcurrentHashMap
- LongAdder 分为 base 和 cells 两部分。没有并发争用的时候或者是 cells 数组正在初始化的时候，会使用 CAS 来累加值到 base，有并发争用，会初始化 cells 数组，数组有多少个 cell，就允许有多少线程并行修改，最后将数组中每个 cell 累加，再加上 base 就是最终的值
- LinkedBlockingQueue 入队和出队使用不同的锁，相对于LinkedBlockingArray只有一个锁效率要高
3.锁粗化
- 多次循环进入同步块不如同步块内多次循环 另外 JVM 可能会做如下优化，把多次 append 的加锁操作粗化为一次（因为都是对同一个对象加锁，没必要重入多次）
new StringBuffer().append("a").append("b").append("c");
4. 锁消除
- JVM 会进行代码的逃逸分析，例如某个加锁对象是方法内局部变量，不会被其它线程所访问到，这时候就会被即时编译器忽略掉所有同步操作。
5. 读写分离
- CopyOnWriteArrayList ConyOnWriteSet
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