jvm住内存与工作内存,内存模型反映的java多线程问题

 2019-12-10 16:04  阅读(1153)
文章分类:Java 并发编程

找了多篇文章,自己将重点以及可以让人深入理解jvm以及多线程的知识做总结,作为自己的学习笔记:

一、jvm主内存与工作内存

首先,JVM将内存组织为主内存和工作内存两个部分。主内存中主要包括本地方法区和堆。每个线程都有一个工作内存,工作内存中主要包括两个部分,一个是属于该线程的栈和对主存部分变量拷贝的寄存器**。**

1.所有的变量都存储在主内存中(虚拟机内存的一部分),对于所有线程都是共享的。

2.每条线程都由自己的工作内存,工作内存中保存的是主存中某些变量的拷贝,线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量。
3.线程之间无法直接访问对方的工作内存中的变量,线程间变量的传递均需要通过主内存来完成。

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JVM规范定义了线程对内存间交互操作:

Lock(锁定):作用于主内存中的变量,把一个变量标识为一条线程独占的状态。

Read(读取):作用于主内存中的变量,把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中。

Load(加载):作用于工作内存中的变量,把read操作从主内存中得到的变量的值放入工作内存的变量副本中。

Use(使用):作用于工作内存中的变量,把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎。

Assign(赋值):作用于工作内存中的变量,把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存中的变量。

Store(存储):作用于工作内存中的变量,把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中。

Write(写入):作用于主内存中的变量,把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

Unlock(解锁):作用于主内存中的变量,把一个处于锁定状态的变量释放出来,之后可被其它线程锁定。

下面看看上述内存模型与Java多线程之间的问题:

java的多线程并发问题最终都会反映在java的内存模型上,所谓线程安全无非是要控制多个线程对某个资源的有序访问或修改。总结java的内存模型,要解决两个主要的问题:可见性和有序性。

那么,何谓可见性? 多个线程之间是不能互相传递数据通信的,它们之间的沟通只能通过共享变量来进行。Java内存模型(JMM)规定了jvm有主内存,主内存是多个线程共享的。当new一个对象的时候,也是被分配在主内存中,每个线程都有自己的工作内存,工作内存存储了主存的某些对象的副本,当然线程的工作内存大小是有限制的。当线程操作某个对象时,执行顺序如下:
(1) 从主存复制变量到当前工作内存 (read and load)
(2) 执行代码,改变共享变量值 (use and assign)
(3) 用工作内存数据刷新主存相关内容 (store and write)
当一个共享变量在多个线程的工作内存中都有副本时,如果一个线程修改了这个共享变量,那么其他线程应该能够看到这个被修改后的值,这就是多线程的可见性问题,java中volatile解决了可见性问题,接下来看一下volatile关键字:

volatile关键字
volatile是java提供的一种同步手段,只不过它是轻量级的同步,为什么这么说,因为volatile只能保证多线程的内存可见性,不能保证多线程的执行有序性。而最彻底的同步要保证有序性和可见性,例如synchronized。任何被volatile修饰的变量,都不拷贝副本到工作内存,任何修改都及时写在主存。因此对于Valatile修饰的变量的修改,所有线程马上就能看到,但是volatile不能保证对变量的修改是有序的。什么意思呢?假如有这样的代码:

Java代码

  1. public class Test{

  2. public volatile int a;

  3. public void add(int count){

  4. a=a+count;

  5. }

  6. }

    当一个Test对象被多个线程共享,a的值不一定是正确的,因为a=a+count包含了好几步操作,而此时多个线程的执行是无序的,因为没有任何机制来保证多个线程的执行有序性和原子性。volatile存在的意义是,任何线程对a的修改,都会马上被其他线程读取到,因为直接操作主存,没有线程对工作内存和主存的同步。所以,volatile的使用场景是有限的,在有限的一些情形下可以使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:
    1)对变量的写操作不依赖于当前值。
    2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

    volatile只保证了可见性,所以Volatile适合直接赋值的场景,如

Java代码

  1. public class Test{

  2. public volatile int a;

  3. public void setA(int a){

  4. this.a=a;

  5. }

  6. }

    在没有volatile声明时,多线程环境下,a的最终值不一定是正确的,因为this.a=a;涉及到给a赋值和将a同步回主存的步骤,这个顺序可能被打乱。如果用volatile声明了,读取主存副本到工作内存和同步a到主存的步骤,相当于是一个原子操作。所以简单来说,volatile适合这种场景:一个变量被多个线程共享,线程直接给这个变量赋值。这是一种很简单的同步场景,这时候使用volatile的开销将会非常小。

那么继续说什么是序性呢?多个线程执行时,CPU对线程的调度是随机的,我们不知道当前程序被执行到哪步就切换到了下一个线程,线程在引用变量时不能直接从主内存中引用,如果线程工作内存中没有该变量,则会从主内存中拷贝一个副本到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该副本,线程不能直接为主存中中字段赋值,它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign),完成后这个变量副本会同步到主存储区(store-write),至于何时同步过去,根据JVM实现系统决定。

这里看一个最经典的例子就是银行汇款问题,一个银行账户存款100,这时一个人从该账户取10元,同时另一个人向该账户汇10元,那么余额应该还是100。那么此时可能发生这种情况,A线程负责取款,B线程负责汇款,A从主内存读到100,B从主内存读到100,A执行减10操作,并将数据刷新到主内存,这时主内存数据100-10=90,而B内存执行加10操作,并将数据刷新到主内存,最后主内存数据100+10=110,显然这是一个严重的问题,我们要保证A线程和B线程有序执行,先取款后汇款或者先汇款后取款。

这里将一个非原子操作进行分解分步说明,假设有一个共享变量x,线程Thread1执行x=x+1。从上面的描述中可以知道x=x+1并不是一个原子操作,它的执行过程如下:
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x加1
3 将x加1后的值写回主存
如果另外一个线程b执行x=x-1,执行过程如下:
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x减1
3 将x减1后的值写回主存
那么显然,最终的x的值是不可靠的。假设x现在为10,线程a加1,线程b减1,从表面上看,似乎最终x还是为10,但是多线
程情况下会有这种情况发生:
1:线程a从主存读取x副本到工作内存,工作内存中x值为10
2:线程b从主存读取x副本到工作内存,工作内存中x值为10
3:线程a将工作内存中x加1,工作内存中x值为11
4:线程a将x提交主存中,主存中x为11
5:线程b将工作内存中x值减1,工作内存中x值为9
6:线程b将x提交到中主存中,主存中x为9
同样,x有可能为11,每次执行的结果都是不确定的,因为线程的执行顺序是不可预见的。这是java同步产生的根源,synchronized关键字保证了多个线程对于同步块是互斥的,synchronized作为一种同步手段,解决java多线程的执行有序性和内存可见性,而volatile关键字之解决多线程的内存可见性问题。

synchronized关键字
上面说了,java用synchronized关键字做为多线程并发环境的执行有序性的保证手段之一。当一段代码会修改共享变量,这一段代码成为互斥区或临界区,为了保证共享变量的正确性,synchronized标示了临界区。典型的用法如下:

Java代码

  1. synchronized(锁){
  2. 临界区代码
  3. }

为了保证银行账户的安全,可以操作账户的方法如下:

Java代码

  1. public synchronized void add(int putMoney) {
  2. money = money+ putMoney;
  3. }
  4. public synchronized void minus(int getMoney) {
  5. money = money – getMoney;
  6. }

刚才不是说了synchronized的用法是这样的吗:

Java代码

  1. synchronized(锁){
  2. 临界区代码
  3. }

那么对于public synchronized void add(int putMoney)这种情况,意味着什么呢?其实这种情况,锁就是这个方法所在的对象。同理,如果方法是public static synchronized void add(int putMoney),那么锁就是这个方法所在的class。
理论上,每个对象都可以做为锁,但一个对象做为锁时,应该被多个线程共享,这样才显得有意义,在并发环境下,一个没有共享的对象作为锁是没有意义的。假如有这样的代码:

Java代码

  1. public class ThreadTest{
  2. public void test(){
  3. Object lock=new Object();
  4. synchronized (lock){
  5. //do something
  6. }
  7. }
  8. }

lock变量作为一个锁存在根本没有意义,因为它根本不是共享对象,每个线程进来都会执行Object lock=new Object();每个线程都有自己的lock,根本不存在锁竞争。
每个锁对象都有两个队列,一个是就绪队列,一个是阻塞队列,就绪队列存储了将要获得锁的线程,阻塞队列存储了被阻塞的线程,当一个被线程被唤醒(notify)后,才会进入到就绪队列,等待cpu的调度。当一开始线程a第一次执行account.add方法时,jvm会检查锁对象account的就绪队列是否已经有线程在等待,如果有则表明account的锁已经被占用了,由于是第一次运行,account的就绪队列为空,所以线程a获得了锁,执行account.add方法。如果恰好在这个时候,线程b要执行account.minus方法,因为线程a已经获得了锁还没有释放,所以线程b要进入account的就绪队列,等到得到锁后才可以执行。
一个线程执行临界区代码过程如下:
1 获得同步锁
2 清空工作内存
3 从主存拷贝变量副本到工作内存
4 对这些变量计算
5 将变量从工作内存写回到主存
6 释放锁
可见,synchronized既保证了多线程的并发有序性,又保证了多线程的内存可见性。

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