java多线程并发之java内存模型

 2019-12-10 16:12  阅读(1085)
文章分类:Java 并发编程

一、Java内存模型

Java内存模型(即Java Memory Model,简称JMM)本身是一种抽象的概念,并不真实存在,它描述的是一组规则或规范,通过这组规范定义了程序中各个变量(包括实例字段,静态字段和构成数组对象的元素)的访问方式。由于JVM运行程序的实体是线程,而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方称为栈空间),用于存储线程私有的数据,而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存,主内存是共享内存区域,所有线程都可以访问,但线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行,首先要将变量从主内存拷贝的自己的工作内存空间,然后对变量进行操作,操作完成后再将变量写回主内存,不能直接操作主内存中的变量,工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝,前面说过,工作内存是每个线程的私有数据区域,因此不同的线程间无法访问对方的工作内存,线程间的通信(传值)必须通过主内存来完成,其简要访问过程如下图
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  • 主内存
    主要存储的是Java实例对象,所有线程创建的实例对象都存放在主内存中,不管该实例对象是成员变量还是方法中的本地变量(也称局部变量),当然也包括了共享的类信息、常量、静态变量。由于是共享数据区域,多条线程对同一个变量进行访问可能会发现线程安全问题。
  • 工作内存
    主要存储当前方法的所有本地变量信息(工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝),每个线程只能访问自己的工作内存,即线程中的本地变量对其它线程是不可见的,就算是两个线程执行的是同一段代码,它们也会各自在自己的工作内存中创建属于当前线程的本地变量,当然也包括了字节码行号指示器、相关Native方法的信息。注意由于工作内存是每个线程的私有数据,线程间无法相互访问工作内存,因此存储在工作内存的数据不存在线程安全问题。

Java内存模型具有三个特性:原子性、可见性和有序性。

① 原子性,java内存模型保证了read、load、assign、use、store、write六个操作具有原子性,我们可以认为除了long和double类型外,对其他基本数据类型所对应的内存单元的访问读写都是原子的。但由于这个原子性的颗粒度太小,通常情况下我们需要更大颗粒度的原子性,这时就需要用锁来保证了。

② 可见性,在java内存模型中,简单说如果一条线程更改了共享变量的值,而其他线程能马上知道这个更改,我们则说这个变量具有可见性。一般来说有四种方式能保证变量的可见性,分别为volatile、synchronized、final和锁。首先谈谈volatile,被此关键词声明的变量,每当有任何更改时都将立即同步到主存中,而每个线程要使用这个变量时都要重新从主存刷新到工作内存,这样就确保了变量的可见性(当然,普通变量最终也会同步到主存,再由主存同步到每个线程的工作内存,只是这个最终可能比较“长久”,不能保证可见性);由于synchronized底层也是通过锁进行实现,所以synchronized和锁的本质是一样的,当一个线程释放一个锁时,将会强制刷新工作内存中的变量值到主存中,而当另一个线程获取此锁的时候将会强制重新装载此变量值,当然这两个线程获取的是同一个锁,这样就保证了变量的可见性;被final声明的变量一旦完成初始化,其他线程就能看到这个final变量。其实,可见性其实可以看成是一种机制,线程在进入/退出同步块程序时,它将发送/接收一个变量的更改。

③ 有序性,有序性指在线程内看方法的执行,所有的指令都是有序的,都按照一种串行方式执行,而在线程内观察其他线程,所有指令都是无序的,指令都可能交叉执行。Java中提供了volatile和synchronized两个关键词保证线程之间操作的有序性,而这个有序性仅仅是相对的,volatile禁止指令重排序,synchronized则保证持有同一个锁的同步块只能串行运行。

二、多线程并发安全

  • synchronized
    Synchronized关键字保证了数据读写一致和可见性等问题,但是他是一种阻塞的线程控制方法,在关键字使用期间,所有其他线程不能使用此变量,这就引出了一种叫做非阻塞同步的控制线程安全的需求;(同步机制采用了“以时间换空间”的方式)
  • volatile
    Java语言规范中指出:为了获得最佳速度,允许线程保存共享成员变量的私有拷贝,而且只当线程进入或者离开同步代码块时才与共享成员变量的原始值对比。这样当多个线程同时与某个对象交互时,就必须要注意到要让线程及时的得到共享成员变量的变化。而volatile关键字就是提示VM:对于这个成员变量不能保存它的私有拷贝,而应直接与共享成员变量交互。使用建议:在两个或者更多的线程访问的成员变量上使用volatile。当要访问的变量已在synchronized代码块中,或者为常量时,不必使用。由于使用volatile屏蔽掉了VM中必要的代码优化,所以在效率上比较低,因此一定在必要时才使用此关键字。
  • ThreadLocal
    ThreadLocal不是为了解决多线程访问共享变量,而是为每个线程创建一个单独的变量副本,提供了保持对象的方法和避免参数传递的复杂性。顾名思义它是local variable(线程局部变量)。它的功用非常简单,就是为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本,是每一个线程都可以独立地改变自己的副本,而不会和其它线程的副本冲突。从线程的角度看,就好像每一个线程都完全拥有该变量。(ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式)
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