【原】多線程并發(fā)支撐基礎(chǔ)之JAVA內(nèi)存模型

IT樂知 2020-07-20

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Java內(nèi)存模型可以說是Java并發(fā)的底層支持,，了解Java內(nèi)存模型才能正在了解Java并發(fā)。

內(nèi)存模型

在內(nèi)存中設(shè)置一個(gè)變量“value = 1,；”那么其他線程能在什么時(shí)候讀取到這個(gè)結(jié)果呢,？有可能不能立即甚至永遠(yuǎn)都讀不到。比如指令順序與源代碼中的順序不同,；編譯器會(huì)把變量保存在寄存器而不是內(nèi)存中,；處理器可以采用亂序或并行等方式來執(zhí)行指令；緩存可能會(huì)改變將寫入變量提交到主內(nèi)存的次序,，保存在處理器本地緩存中的值其他處理器是不可見的,；這些情況都會(huì)導(dǎo)致其他線程不能讀取到變量的最新值。

而Java內(nèi)存模型（Java memory Model,簡稱JMM）則是規(guī)定了JVM在什么時(shí)候?qū)ψ兞康男薷膶ζ渌€程可見,。

在多核處理器中,，每個(gè)處理器都有自己的緩存，并且定期地與主內(nèi)存進(jìn)行協(xié)調(diào),，不同的處理器架構(gòu)中提供了不同級別的緩存一致性,。在現(xiàn)在的CPU中分了多級內(nèi)存緩存比如寄存器、L1,、L2,、L3、內(nèi)存等,，每種處理器都有各自的規(guī)則和處理方式,，而要保證修改變量對其他線程可見的難度就很大。

所以在JMM中抽象出來只分工作內(nèi)存,、主內(nèi)存,。主內(nèi)存主要存共享變量，工作內(nèi)存為每個(gè)線程擁有,，存放線程需要的共享變量副本,。各個(gè)線程只能讀、改自己工作線程的數(shù)據(jù),，不能直接操作主內(nèi)存的變量,，線程修改變量時(shí)先修改工作內(nèi)存變量再同步到主內(nèi)存當(dāng)中。

在多線程環(huán)境中,，維護(hù)程序的串行性將會(huì)導(dǎo)致很大的性能開銷,，所以只有當(dāng)多個(gè)線程要共享數(shù)據(jù)時(shí),，才必須協(xié)調(diào)它們之間的操作，并且JVM依賴程序通過同步操作來找出這些協(xié)調(diào)操作在何時(shí)發(fā)生,。通過只分兩種內(nèi)存就簡單很多了,。

Happens-Before規(guī)則

上一節(jié)說到JVM通過依賴同步操作來找出協(xié)調(diào)操作在何時(shí)發(fā)生，而JMM就是通過各種操作來定義的,。JMM對程序中的所有操作定義了一個(gè)偏序關(guān)系,，稱為Happens-Before。

Happens-before簡單解釋下：如果第一個(gè)操作Happens-before第二個(gè)操作,，也就是說第一個(gè)操作對于第二個(gè)操作時(shí)可見的,，也就是第二個(gè)操作能夠看到第一個(gè)操作的結(jié)果。

而Happens-before主要包含以下規(guī)則：

程序順序規(guī)則：一個(gè)線程內(nèi)肯定要保證執(zhí)行順序,，比如兩步代碼前一步執(zhí)行肯定要在下一步執(zhí)行之前,，如果不能保證規(guī)則那么如果后一步依賴前一步的結(jié)果那么肯定會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。不過這個(gè)規(guī)則和指令重排沖突,，但是執(zhí)行重排是在保證執(zhí)行結(jié)果依然符合Happens-before執(zhí)行的結(jié)果下才重排,，所以并不沖突。

監(jiān)視器規(guī)則：對同一個(gè)鎖,，肯定前面一個(gè)釋放了鎖,，后面一個(gè)才能獲取到鎖，只有獲取到鎖才能釋放鎖,。

volatile變量規(guī)則：volatile修飾的變量在一個(gè)線程修改后,，其他線程一定能夠看到最新值。

線程啟動(dòng)規(guī)則：在主線程執(zhí)行一個(gè)子線程,，那么子線程的run方法一定能夠看到主方法調(diào)用子線程的start方法之前的操作,。

線程結(jié)束規(guī)則：主線程調(diào)用了子線程的start后如果再調(diào)用join方法，那么join方法肯定能看到子線程run方法執(zhí)行的結(jié)果,。

中斷規(guī)則：對線程執(zhí)行Interrupt方法后,，那么執(zhí)行interrupted和isInterrupted都能看到結(jié)果。

終結(jié)器規(guī)則：對象的構(gòu)造函數(shù)必須在對象的終結(jié)器執(zhí)行前完成,。

傳遞性：A操作在B之前,，B在C之前，那么A一定在C之前,，也就是C一定能夠看到A執(zhí)行的結(jié)果。

在多線程中每個(gè)線程每段代碼執(zhí)行的時(shí)間是不確定的,，而Happens-before則保證了單個(gè)線程內(nèi)執(zhí)行順序,，同時(shí)也保證在多線程哪些情況下有先后順序。比如比如在線程A中執(zhí)行了線程B的start方法和B線程的join方法,，那么B線程的run方法肯定在A在調(diào)用B的start方法之后執(zhí)行,，也就是B中的run方法能看到之前的執(zhí)行結(jié)果,。同樣join方法一定是run方法結(jié)束以后才能執(zhí)行，也就是join之后的程序能夠看到run執(zhí)行的結(jié)果,。

單例模式的雙重檢查

單例模式的一種實(shí)現(xiàn)方式代碼如下圖：

1單例模式的雙重檢查

volatile保證了變量的可見性,，就是前面講到的volatile變量規(guī)則，在第二次驗(yàn)證變量singleton時(shí)才能得到的正確,。如果變量沒有用volatile修飾一個(gè)線程初始化了,，初始化結(jié)果可能還在工作內(nèi)存中，即使同步到主內(nèi)存中,，但是如果沒有同步到其他內(nèi)存中,，那么其他線程就可能再次初始化。