Java内存模型和多线程基础

 2019-12-10 16:06  阅读(1090)
文章分类:Java Core

在多线程环境中,我们需要考虑的主要问题是:线程之间如何进行通信,在命令式编程中,线程之间的通信机制有两种:共享内存和消息传递。在共享内存的并发模型里,线程之间共享程序的公共状态,线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信。在消息传递的并发模型里,线程之间没有公共状态,线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信。Java的并发采用的是共享内存模型,Java线程之间的通信总是隐式进行,整个通信过程对程序员完全透明。

Java内存模型的抽象

在java中,所有实例域、静态域和数组元素存储在堆内存中,堆内存在线程之间共享(本文使用“共享变量”这个术语代指实例域,静态域和数组元素)。局部变量(Local variables),方法定义参数(java语言规范称之为formal method parameters)和异常处理器参数(exception handler parameters)不会在线程之间共享,它们不会有内存可见性问题,也不受内存模型的影响。

Java线程之间的通信由Java内存模型(本文简称为JMM)控制,JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看,JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系:线程之间的共享变量存储在主内存(main memory)中,每个线程都有一个私有的本地内存(local memory),本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念,并不真实存在。它涵盖了缓存,写缓冲区,寄存器以及其他的硬件和编译器优化。Java内存模型的抽象示意图如下:

20191210001565\_1.png

从上图来看,线程A与线程B之间如要通信的话,必须要经历下面2个步骤:

  1. 首先,线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
  2. 然后,线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

下面通过示意图来说明这两个步骤:

20191210001565\_2.png

如上图所示,本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本。假设初始时,这三个内存中的x值都为0。线程A在执行时,把更新后的x值(假设值为1)临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时,线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中,此时主内存中的x值变为了1。随后,线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值,此时线程B的本地内存的x值也变为了1。

从整体来看,这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息,而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互,来为java程序员提供内存可见性保证。

如何保证内存的可见性?

1、使用synchronized关键字

Java内存模型对Synchronized语义做了以下保证:

20191210001565\_3.png

当ThreadA释放锁M时,它所写过的变量(比如,x和y,存在它工作内存中的)都会同步到主存中,而当ThreadB在申请同一个锁M时,ThreadB的工作内存会被设置为无效,然后ThreadB会重新从主存中加载它要访问的变量到它的工作内存中(这时x=1,y=1,是ThreadA中修改过的最新的值)。通过这样的方式来保证内存的可见性。

2、使用volatile字段

在保证内存可见性这一方面,Synchronized和volatile没有很大的区别,volatile实现内存可见性的核心机制是当一个线程修改了一个volatile修饰的变量的值时,该值会被写入主内存(即RAM)而不仅仅是当前线程所在的CPU的缓存区,而其他CPU的缓存区中存储的该变量的值也会因此而失效(从而得以更新为主内存中的该变量的相应值)。

3、Synchronized和volatile的区别

那么既然Synchronized和volatile都可以保证内存的可见性,那为何会创造出两个关键字呢?自然是因为他们之间还有很多不同的地方。

(1)使用条件不同:volatile仅能使用在变量级别;synchronized则可以使用在变量、方法、和类级别的

(2)造成影响不同:volatile不会造成线程的阻塞;synchronized可能会造成线程的阻塞。

(3)发挥作用不同:Synchronized和volatile都可以保证内存的可见性,但是Synchronized可以保证操作的原子性,而volatile不可以。

(4)运行过程不同:volatile标记的变量不会被编译器优化;synchronized标记的变量可以被编译器优化。

注:编译器优化是指编译器和CPU为了提高指令的执行效率可能会进行指令重排序,这使得代码的实际执行方式可能不是按照我们 所认为的方式进行。

参考文献:http://www.jianshu.com/p/977d27852826

http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-1

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