并发编程笔记二：java的内存模型

2023年9月18日 231次阅读 来源: java内存模型

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目录

  1. java内存模型的概念
  2. 原子性（Atomicity）
  3. 可见性（Visibility）
  4. 有序性（Ordering）
  5. 总结

java内存模型的概念

java并发程序开发比串行程序开发复杂的多，其中重要的一点就是要保证数据的正确性。对于串行来讲，输入是1，输出一定是1，这个很好保证，但是对于并行开发来讲，中间如果没有做好数据在多线程中的控制，很有可能导致输入是，输出可能是1，也可能是111。java内存模型（JMM）就是为了保证数据在多线程中正确性的一种协议。

 

其中，JMM最关键的技术点都是围绕着多线程的原则性、可见性和有序性来建立。下面，我们重点来讨论多线程中的这三大特性。

 

原子性（Atomicity）

原子性指一个操作是不可中断的，即要么全部执行成功要么全部执行失败，不接受一半成功一半失败的情况。

int a = 10; //1

a++; //2

以上两种场景，只有第一种是原则性操作，第二种虽然看起来是一步执行完成，但是实际上他执行了

  1. 读取a的值
  2. 对a进行加1的操作
  3. 把加1后的值赋给变量

在开发中，常用的保证原子性的操作即是加上sychronized的锁，加锁之后的效果就是把锁住的类、方法、对象作为一个整体，在该模块处理完之前，不允许其他操作调用该模块。

另外一种锁–volatile只能可见性和有序性，不能保证原子性，所以在下面例子中，使用volatile进行数据一致性的操作是有问题的：

​
public class VolatileExample {
    private static volatile int counter = 0;

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++)
                        counter++;
                }
            });
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(counter);
    }
}

​

如果volatile可以保证原子性的话，实际输出结果应该是100000，但是真实的结果远小于100000。

然而想要保证上面例子的结果输出正确的话，我们可以做这样的修改：

public class VolatileExample {
    private static volatile int counter = 0;

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++)
                        //在counter++操作时加上synchronized锁
                        synchronized (VolatileExample.class){
                            counter++;
                        }
                }
            });
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(counter);
    }
}

或者使用AtomicInteger这样线程安全的类进行变量赋值的操作。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Atomicity {
    //使用保证的原子性的AtomicInteger类进行counter变量的修改操作
    static AtomicInteger counter = new AtomicInteger();

    private static void count() {
        Atomicity atomicity = new Atomicity();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++)
                        //addAndGet是线程安全的修改方法
                        counter.addAndGet(1);
                }
            });
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(atomicity.counter);
    }

    public static void main(String[] args) {
        count();
    }
}

这样写的话，实际的输出结果就是100000。

可见性（Visibility）

可见性是指当一个线程修改了某一个共享变量的值时，其他的线程是否能够立即知道这个修改。

即当CPU1一个线程修改了一个全局变量a，并将其缓存在cache中或者寄存器里，在此同时CPU2上的某一线程也对全局变量a进行修改，也将其及存到cache或寄存器里，这样，两个线程对于全局变量a的值可能存在不一样的情况，从而导致接下来的数据处理可能会异常。

对此，sychronized和volatile关键字都可以保证操作的可见性，即当某一全局变量一旦被修改，就会立刻被刷新到主内存中去，保证多线程中数据的一致性。

 

有序性（Ordering）

在多线程执行过程中，一般理解代码会按顺序从前到后依次执行，但是出于某种原因，在某些情况下，程序会对指令重新排序，导致程序操作结果异常。在单一线程中，指令执行的顺序一定是一致的（否则程序无法正常工作），只有在并行的程序中，才会发生指令重排序的情况。但是总结性的来讲，指令的重排序不是无意义的，他的目的是为了尽量少的中断流水线，提高程序的性能。

对于哪些指令不能重拍，也有既定的规则，即Happen-Before规则：

  • 程序顺序原则：一个县城内保证语义的串行性；
  • volatile规则：volatile变量的写咸鱼度发生，这保证了volatile变量的可见性；
  • 锁规则：解锁（unlock）必然发生在随后加锁（lock）之前；
  • 传递性：A先于B，B先于C，那么A必然先于C；
  • 线程的start（）方法先与他的每一个动作；
  • 线程的所有操作先于线程的终结（Thread.join()）；
  • 线程的中断（interrupt()）先于被中断线程的代码；
  • 对象的构造函数的执行，结束先于finalize()方法；

 

总结

本章说明了了java内存模型（JMM）是保证多线程中数据正确性的基础协议，并对多线程中原子性、可见性、有序性这三大特性进行了分析。下一章的内容，我们会从java线程讲起，阐述线程从创建到终止的一些列操作。

 

    原文作者：java内存模型
    原文地址: https://blog.csdn.net/qixinbruce/article/details/86567522
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