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Java并发编程之Java内存模型详解

2020-7-1 14:13| 发布者: x0100| 查看: 717| 评论: 0

摘要: 1. JMM抽象结构模型 JMM抽象结构模型 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中 每个线程都有一个私有的本地内存,本地内存中存储了该线程用以读/写共享变量的副本 共享变量: ...


1. JMM抽象结构模型

JMM抽象结构模型

JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系:

  1. 线程之间的共享变量存储在主内存中

  2. 每个线程都有一个私有的本地内存,本地内存中存储了该线程用以读/写共享变量的副本

共享变量:堆内存在线程之间共享,存储在堆内存中所有实例域、静态域和数组元素都是共享变量

Java内存模型

线程之间通信

线程A与线程B通信:

  1. 线程A把本地内存A中的共享变量刷新到主内存中去。

  2. 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。

从整体来看,这个过程就是线程A在向线程B发送消息。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。

举例:

  1. public class JMMTest {
  2.     static int a = 0;// 主内存中的共享变量
  3.     public static void main(String[] args{
  4.         new Thread() {
  5.             public void run({
  6.                 a = 1;// 线程本地内存中操作共享变量a,并将a=1刷新到猪内存中
  7.                 while(true) {// 测试用,为了保持线程运行
  8.                 }
  9.             };
  10.         }.start();
  11.         
  12.         new Thread() {
  13.             public void run({
  14.                 System.out.println(a);// 线程到主内存中读取变量a
  15.                 while(true) {
  16.                 }
  17.             };
  18.         }.start();
  19.     }
  20. }

两个线程之间的通信过程如下图:

2. JMM解决可见性和有序性问题

  1. 要求程序员都去搞懂重排序以及JMM内存屏障再去编程是不现实的。

  2. JMM提供了简单易懂的happens-before原则,并向程序员保证执行并发程序会遵守happens-before原则。

  3. 程序员只需理解happens-before原则,按照happens-before原则写并发代码,就能保证内存可见性和有序性。

JMM的设计

1.程序员对内存模型的使用

程序员希望内存模型易于理解、易于编程。程序员希望基于一个强内存模型来编写代码。

JMM向程序员提供的happens-before规则,简单易懂且提供了足够强的内存可见性保证。程序员可以把happens-before规则当做强内存模型看待。

2.编译器和处理器对内存模型的实现

编译器和处理器希望内存模型对它们的束缚越少越好,这样它们就可以做尽可能多的优化来提高性能。编译器和处理器希望实现一个弱内存模型。

JMM遵循一个基本原则:只要不改变程序的执行结果(指的是单线程程序和正确同步的多线程程序),编译器和处理器怎么优化都行。

例如这些优化既不会改变程序的执行结果,又能提高程序的执行效率。

  1. 1.如果编译器经过细致的分析后,认定一个锁只会被单个线程访问,那么这个锁可以被消除。
  2. 2.如果编译器经过细致的分析后,认定一个volatile变量只会被单个线程访问,那么编译器可以把这个volatile变量当作一个普通变量来对待。

如图,程序员、happens-before、JMM之间的关系:

3. happens-before

一个操作执行的结果需要对另一个操作可见,那么这两个操作之间必须存在happens-before关系。

两个操作可以是单线程或多线程,happens-before解决的就是多线程内存可见性问题。区分数据依赖性和as-if-seial针对单线程。

happens-before原则定义如下:

1)一个操作happens-before另一个操作,那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见,而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。

2)两个操作之间存在happens-before关系,并不意味着一定要按照happens-before原则制定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果与按照happens-before关系来执行的结果一致,那么这种重排序并不非法。

happens-before原则规则:

  1. 1)程序次序规则:一个线程内,按照代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作;
  2. 2)锁定规则:一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作;
  3. 3)volatile变量规则:对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作;
  4. 4)传递规则:如果操作A先行发生于操作B,而操作B又先行发生于操作C,则可以得出操作A先行发生于操作C;
  5. 5)线程启动规则:Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作;
  6. 6)线程中断规则:对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生;
  7. 7)线程终结规则:线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测,我们可以通过 Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行;
  8. 8)对象终结规则:一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始;

JMM与原子性问题
Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作,如果要实现更大范围操作的原子性,需要通过互斥加锁synchronized和Lock来实现。

总结

JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系,共享变量存储在主内存中,线程本地内存中存储了该线程用以读/写共享变量的副本。

JMM向程序员提供的happens-before规则来解决可见性和有序性问题。

一个操作执行的结果需要对另一个操作可见,那么这两个操作之间必须存在happens-before关系。


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