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Java内存模型JMM

开发技术 开发技术 3小时前 2次浏览

一、定义

很多人分不清【java 内存结构】与【java 内存模型】,【java 内存结构】指的是jvm的内存分区,例如:堆、程序计数器、虚拟机栈等这些,【java 内存模型】是 Java Memory Model(JMM)的意思。

简单的说,JMM 定义了一套在多线程读写共享数据时(成员变量、数组)时,对数据的可见性、有序性、和原子性的规则和保障。

二、原子性

  两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增,一个做自减,各做 5000 次,结果不一定是0。

例如:对于 i++ 而言(i 为静态变量),实际会产生如下的 JVM 字节码指令:

  getstatic i // 获取静态变量i的值

   iconst_1 // 准备常量1

   iadd // 加法

   putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而对应 i– 也是类似: 

  getstatic i // 获取静态变量i的值

  iconst_1 // 准备常量1

  isub // 减法

  putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而 Java 的内存模型如下,完成静态变量的自增,自减需要在主存和线程内存中进行数据交换:

Java内存模型JMM

 

 

 如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行(不会交错)没有问题:

// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=1
iconst_1 // 线程1-准备常量1
isub // 线程1-自减 线程内i=0
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=0

但多线程下这 8 行代码可能交错运行(为什么会交错?思考一下): 出现负数的情况:

// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
iconst_1 // 线程2-准备常量1
isub // 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1

出现正数的情况:

// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
iconst_1 // 线程2-准备常量1
isub // 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1

解决办法就是加锁,例如:synchronized

三、可见性

先来看一个现象,main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见,导致了 t 线程无法停止:

static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(()->{
  while(run){
    // ....
  }
});
t.start();
Thread.sleep(1000);
run = false; // 线程t不会如预想的停下来
}

为什么呢?分析一下:

1. 初始状态, t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存。

Java内存模型JMM

 

 

 2. 因为 t 线程要频繁从主内存中读取 run 的值,JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中的高 速缓存中,减少对主存中 run 的访问,提高效率

Java内存模型JMM

 

 

 3. 1 秒之后,main 线程修改了 run 的值,并同步至主存,而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读 取这个变量的值,结果永远是旧值

Java内存模型JMM

 

 

解决办法:volatile(易变关键字)它可以用来修饰成员变量和静态成员变量,他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值,必须到 主存中获取它的值,线程操作 volatile 变量都是直接操作主存,

但是一个线程对 volatile 变量的修改对另一 个线程可见, 不能保证原子性,仅用在一个写线程,多个读线程的情况。

synchronized 语句块既可以保证代码块的原子性,也同时保证代码块内变量的可见性。但缺点是synchronized是属于重量级操作,性能相对更低。

四、有序性

先看一段代码

int num = 0;
boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
  if(ready) {
    r.r1 = num + num;
  } else {
    r.r1 = 1;
  }
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) {
  num = 2;
  ready = true;
}

I_Result 是一个对象,有一个属性 r1 用来保存结果,问,可能的结果有几种?

如果经过大量测试的话,会发现其中一种结果有可能为0,出现这种现象原因是指令重排,是 JIT 编译器在运行时的一些优化,这个现象需要通过大量测试才能复现。

JVM 会在不影响正确性的前提下,可以调整语句的执行顺序,例如著名的 double-checked locking 模式实现单例

public final class Singleton {
private Singleton() { }
private static Singleton INSTANCE = null;
public static Singleton getInstance() {
  // 实例没创建,才会进入内部的 synchronized代码块
  if (INSTANCE == null) {
    synchronized (Singleton.class) {
      // 也许有其它线程已经创建实例,所以再判断一次
      if (INSTANCE == null) {
        INSTANCE = new Singleton();
      }
    }
  }
  return INSTANCE;
}
}

但在多线程环境下,上面的代码是有问题的, INSTANCE = new Singleton() 对应的字节码为:

0: new #2 // class cn/itcast/jvm/t4/Singleton
3: dup
4: invokespecial #3 // Method "<init>":()V
7: putstatic #4 // Field
INSTANCE:Lcn/itcast/jvm/t4/Singleton;

其中4,7两步的顺序不是固定的,也许 jvm 会优化为:先将引用地址赋值给 INSTANCE 变量后,再执行
构造方法,如果两个线程 t1,t2 按如下时间序列执行:

时间1 t1 线程执行到 INSTANCE = new Singleton();
时间2 t1 线程分配空间,为Singleton对象生成了引用地址(0 处)
时间3 t1 线程将引用地址赋值给 INSTANCE,这时 INSTANCE != null7 处)
时间4 t2 线程进入getInstance() 方法,发现 INSTANCE != null(synchronized块外),直接
返回 INSTANCE
时间5 t1 线程执行Singleton的构造方法(4 处)

这时 t1 还未完全将构造方法执行完毕,如果在构造方法中要执行很多初始化操作,那么 t2 拿到的是将 是一个未初始化完毕的单例

解决办法:对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可,可以禁用指令重排,但要注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才 会真正有效

五、happens-before

happens-before 规定了哪些写操作对其它线程的读操作可见,它是可见性与有序性的一套规则总结, 抛开以下 happens-before 规则,JMM 并不能保证一个线程对共享变量的写,对于其它线程对该共享变量的读可见

1、线程解锁 m 之前对变量的写,对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见

static int x;
static Object m = new Object();
new Thread(()->{
  synchronized(m) {
    x = 10;
  }
},"t1").start();
new Thread(()->{
  synchronized(m) {
    System.out.println(x);
  }
},"t2").start();

2、线程对 volatile 变量的写,对接下来其它线程对该变量的读可见

volatile static int x;
new Thread(()->{
    x = 10;
},"t1").start();
new Thread(()->{
    System.out.println(x);
},"t2").start();

3、线程 start 前对变量的写,对该线程开始后对该变量的读可见

static int x;
x = 10;
new Thread(()->{
    System.out.println(x);
},"t2").start();

4、线程结束前对变量的写,对其它线程得知它结束后的读可见(比如其它线程调用 t1.isAlive() 或t1.join()等待它结束)

static int x;
Thread t1 = new Thread(()->{
    x = 10;
},"t1");
t1.start();
t1.join();
System.out.println(x);

5、线程 t1 打断 t2(interrupt)前对变量的写,对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见(通过t2.interrupted 或 t2.isInterrupted)

       static int x;
public static void main(String[] args) {
    Thread t2 = new Thread(()->{
        while(true) {
            if(Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                System.out.println(x);
                break;
            }
        }
    },"t2");
    t2.start();
    new Thread(()->{
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        x = 10;
        t2.interrupt();
    },"t1").start();
    while(!t2.isInterrupted()) {
        Thread.yield();
    }
    System.out.println(x);
}

对变量默认值(0,false,null)的写,对其它线程对该变量的读可见
具有传递性,如果 x hb-> y 并且 y hb-> z 那么有 x hb-> z

注意:变量都是指成员变量或静态成员变量


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