淺談java內存模型
不同的平臺，內存模型是不一樣的，但是jvm的內存模型規范是統一的。其實java的多線程并發問題最終都會反映在java的內存模型上，所謂線程安全無非是要控制多個線程對某個資源的有序訪問或修改。總結java的內存模型，要解決兩個主要的問題：可見性和有序性。我們都知道計算機有高速緩存的存在，處理器并不是每次處理數據都是取內存的。JVM定義了自己的內存模型，屏蔽了底層平臺內存管理細節，對于java開發人員，要清楚在jvm內存模型的基礎上，如果解決多線程的可見性和有序性。
那么，何謂可見性？ 多個線程之間是不能互相傳遞數據通信的，它們之間的溝通只能通過共享變量來進行。Java內存模型（JMM）規定了jvm有主內存，主內存是多個線程共享的。當new一個對象的時候，也是被分配在主內存中，每個線程都有自己的工作內存，工作內存存儲了主存的某些對象的副本，當然線程的工作內存大小是有限制的。當線程操作某個對象時，執行順序如下：
(1) 從主存復制變量到當前工作內存 (read and load)
(2) 執行代碼，改變共享變量值 (use and assign)
(3) 用工作內存數據刷新主存相關內容 (store and write)
JVM規范定義了線程對主存的操作指令：read，load，use，assign，store，write。當一個共享變量在多個線程的工作內存中都有副本時，如果一個線程修改了這個共享變量，那么其他線程應該能夠看到這個被修改后的值，這就是多線程的可見性問題。
那么，什么是有序性呢 ？線程在引用變量時不能直接從主內存中引用,如果線程工作內存中沒有該變量,則會從主內存中拷貝一個副本到工作內存中,這個過程為read-load,完成后線程會引用該副本。當同一線程再度引用該字段時,有可能重新從主存中獲取變量副本(read-load-use),也有可能直接引用原來的副本(use),也就是說 read,load,use順序可以由JVM實現系統決定。
線程不能直接為主存中中字段賦值，它會將值指定給工作內存中的變量副本(assign),完成后這個變量副本會同步到主存儲區(store-write)，至于何時同步過去，根據JVM實現系統決定.有該字段,則會從主內存中將該字段賦值到工作內存中,這個過程為read-load,完成后線程會引用該變量副本，當同一線程多次重復對字段賦值時,比如：
Java代碼
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for(int i=0;i<10;i++) a++; |
線程有可能只對工作內存中的副本進行賦值,只到最后一次賦值后才同步到主存儲區，所以assign,store,weite順序可以由JVM實現系統決定。假設有一個共享變量x，線程a執行x=x+1。從上面的描述中可以知道x=x+1并不是一個原子操作，它的執行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內存
2 給x加1
3 將x加1后的值寫回主存
如果另外一個線程b執行x=x-1，執行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內存
2 給x減1
3 將x減1后的值寫回主存
那么顯然，最終的x的值是不可靠的。假設x現在為10，線程a加1，線程b減1，從表面上看，似乎最終x還是為10，但是多線程情況下會有這種情況發生：
1：線程a從主存讀取x副本到工作內存，工作內存中x值為10
2：線程b從主存讀取x副本到工作內存，工作內存中x值為10
3：線程a將工作內存中x加1，工作內存中x值為11
4：線程a將x提交主存中，主存中x為11
5：線程b將工作內存中x值減1，工作內存中x值為9
6：線程b將x提交到中主存中，主存中x為9
同樣，x有可能為11，如果x是一個銀行賬戶，線程a存款，線程b扣款，顯然這樣是有嚴重問題的，要解決這個問題，必須保證線程a和線程b是有序執行的，并且每個線程執行的加1或減1是一個原子操作。看看下面代碼：
Java代碼
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public class Account { private int balance; public Account(int balance) { this.balance = balance; } public int getBalance() { return balance; } public void add(int num) { balance = balance + num; } public void withdraw(int num) { balance = balance - num; } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Account account = new Account(1000); Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add"); Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw"); a.start(); b.start(); a.join(); b.join(); System.out.println(account.getBalance()); } static class AddThread implements Runnable { Account account; int amount; public AddThread(Account account, int amount) { this.account = account; this.amount = amount; } public void run() { for (int i = 0; i < 200000; i++) { account.add(amount); } } } static class WithdrawThread implements Runnable { Account account; int amount; public WithdrawThread(Account account, int amount) { this.account = account; this.amount = amount; } public void run() { for (int i = 0; i < 100000; i++) { account.withdraw(amount); } } } } |
第一次執行結果為10200，第二次執行結果為1060，每次執行的結果都是不確定的，因為線程的執行順序是不可預見的。這是java同步產生的根源，synchronized關鍵字保證了多個線程對于同步塊是互斥的，synchronized作為一種同步手段，解決java多線程的執行有序性和內存可見性，而volatile關鍵字之解決多線程的內存可見性問題。后面將會詳細介紹。
synchronized關鍵字
上面說了，java用synchronized關鍵字做為多線程并發環境的執行有序性的保證手段之一。當一段代碼會修改共享變量，這一段代碼成為互斥區或臨界區，為了保證共享變量的正確性，synchronized標示了臨界區。典型的用法如下：
Java代碼
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synchronized(鎖){ 臨界區代碼 } |
為了保證銀行賬戶的安全，可以操作賬戶的方法如下：
Java代碼
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public synchronized void add(int num) { balance = balance + num; } public synchronized void withdraw(int num) { balance = balance - num; } |
剛才不是說了synchronized的用法是這樣的嗎：
Java代碼
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synchronized(鎖){ 臨界區代碼 } |
那么對于public synchronized void add(int num)這種情況，意味著什么呢？其實這種情況，鎖就是這個方法所在的對象。同理，如果方法是public static synchronized void add(int num)，那么鎖就是這個方法所在的class。
理論上，每個對象都可以做為鎖，但一個對象做為鎖時，應該被多個線程共享，這樣才顯得有意義，在并發環境下，一個沒有共享的對象作為鎖是沒有意義的。假如有這樣的代碼：
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public class ThreadTest{ public void test(){ Object lock=new Object(); synchronized (lock){ //do something } } } |
lock變量作為一個鎖存在根本沒有意義，因為它根本不是共享對象，每個線程進來都會執行Object lock=new Object();每個線程都有自己的lock，根本不存在鎖競爭。
每個鎖對象都有兩個隊列，一個是就緒隊列，一個是阻塞隊列，就緒隊列存儲了將要獲得鎖的線程，阻塞隊列存儲了被阻塞的線程，當一個被線程被喚醒(notify)后，才會進入到就緒隊列，等待cpu的調度。當一開始線程a第一次執行account.add方法時，jvm會檢查鎖對象account的就緒隊列是否已經有線程在等待，如果有則表明account的鎖已經被占用了，由于是第一次運行，account的就緒隊列為空，所以線程a獲得了鎖，執行account.add方法。如果恰好在這個時候，線程b要執行account.withdraw方法，因為線程a已經獲得了鎖還沒有釋放，所以線程b要進入account的就緒隊列，等到得到鎖后才可以執行。
一個線程執行臨界區代碼過程如下：
1 獲得同步鎖
2 清空工作內存
3 從主存拷貝變量副本到工作內存
4 對這些變量計算
5 將變量從工作內存寫回到主存
6 釋放鎖
可見，synchronized既保證了多線程的并發有序性，又保證了多線程的內存可見性。
生產者/消費者模式
生產者/消費者模式其實是一種很經典的線程同步模型，很多時候，并不是光保證多個線程對某共享資源操作的互斥性就夠了，往往多個線程之間都是有協作的。
假設有這樣一種情況，有一個桌子，桌子上面有一個盤子，盤子里只能放一顆雞蛋，A專門往盤子里放雞蛋，如果盤子里有雞蛋，則一直等到盤子里沒雞蛋，B專門從盤子里拿雞蛋，如果盤子里沒雞蛋，則等待直到盤子里有雞蛋。其實盤子就是一個互斥區，每次往盤子放雞蛋應該都是互斥的，A的等待其實就是主動放棄鎖，B等待時還要提醒A放雞蛋。
如何讓線程主動釋放鎖
很簡單，調用鎖的wait()方法就好。wait方法是從Object來的，所以任意對象都有這個方法。看這個代碼片段：
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Object lock=new Object();//聲明了一個對象作為鎖 synchronized (lock) { balance = balance - num; //這里放棄了同步鎖，好不容易得到，又放棄了 lock.wait(); } |
如果一個線程獲得了鎖lock，進入了同步塊，執行lock.wait()，那么這個線程會進入到lock的阻塞隊列。如果調用lock.notify()則會通知阻塞隊列的某個線程進入就緒隊列。
聲明一個盤子，只能放一個雞蛋
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import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class Plate { List<Object> eggs = new ArrayList<Object>(); public synchronized Object getEgg() { if (eggs.size() == 0) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { } } Object egg = eggs.get(0); eggs.clear();// 清空盤子 notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列 System.out.println("拿到雞蛋"); return egg; } public synchronized void putEgg(Object egg) { if (eggs.size() > 0) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { } } eggs.add(egg);// 往盤子里放雞蛋 notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列 System.out.println("放入雞蛋"); } static class AddThread extends Thread{ private Plate plate; private Object egg=new Object(); public AddThread(Plate plate){ this.plate=plate; } public void run(){ for(int i=0;i<5;i++){ plate.putEgg(egg); } } } static class GetThread extends Thread{ private Plate plate; public GetThread(Plate plate){ this.plate=plate; } public void run(){ for(int i=0;i<5;i++){ plate.getEgg(); } } } public static void main(String args[]){ try { Plate plate=new Plate(); Thread add=new Thread(new AddThread(plate)); Thread get=new Thread(new GetThread(plate)); add.start(); get.start(); add.join(); get.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("測試結束"); } } |
執行結果：
Html代碼
放入雞蛋
拿到雞蛋
放入雞蛋
拿到雞蛋
放入雞蛋
拿到雞蛋
放入雞蛋
拿到雞蛋
放入雞蛋
拿到雞蛋
測試結束
聲明一個Plate對象為plate，被線程A和線程B共享，A專門放雞蛋，B專門拿雞蛋。假設
1 開始，A調用plate.putEgg方法，此時eggs.size()為0，因此順利將雞蛋放到盤子，還執行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊列的線程，此時阻塞隊列還沒有線程。
2 又有一個A線程對象調用plate.putEgg方法，此時eggs.size()不為0，調用wait()方法，自己進入了鎖對象的阻塞隊列。
3 此時，來了一個B線程對象，調用plate.getEgg方法，eggs.size()不為0，順利的拿到了一個雞蛋，還執行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊列的線程，此時阻塞隊列有一個A線程對象，喚醒后，它進入到就緒隊列，就緒隊列也就它一個，因此馬上得到鎖，開始往盤子里放雞蛋，此時盤子是空的，因此放雞蛋成功。
4 假設接著來了線程A，就重復2；假設來料線程B，就重復3。
整個過程都保證了放雞蛋，拿雞蛋，放雞蛋，拿雞蛋。
volatile關鍵字
volatile是java提供的一種同步手段，只不過它是輕量級的同步，為什么這么說，因為volatile只能保證多線程的內存可見性，不能保證多線程的執行有序性。而最徹底的同步要保證有序性和可見性，例如synchronized。任何被volatile修飾的變量，都不拷貝副本到工作內存，任何修改都及時寫在主存。因此對于Valatile修飾的變量的修改，所有線程馬上就能看到，但是volatile不能保證對變量的修改是有序的。什么意思呢？假如有這樣的代碼：
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public class VolatileTest{ public volatile int a; public void add(int count){ a=a+count; } } |
當一個VolatileTest對象被多個線程共享，a的值不一定是正確的，因為a=a+count包含了好幾步操作，而此時多個線程的執行是無序的，因為沒有任何機制來保證多個線程的執行有序性和原子性。volatile存在的意義是，任何線程對a的修改，都會馬上被其他線程讀取到，因為直接操作主存，沒有線程對工作內存和主存的同步。所以，volatile的使用場景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 變量替代鎖。要使 volatile 變量提供理想的線程安全,必須同時滿足下面兩個條件:
1)對變量的寫操作不依賴于當前值。
2)該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
volatile只保證了可見性，所以Volatile適合直接賦值的場景，如
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public class VolatileTest{ public volatile int a; public void setA(int a){ this.a=a; } } |
在沒有volatile聲明時，多線程環境下，a的最終值不一定是正確的，因為this.a=a;涉及到給a賦值和將a同步回主存的步驟，這個順序可能被打亂。如果用volatile聲明了，讀取主存副本到工作內存和同步a到主存的步驟，相當于是一個原子操作。所以簡單來說，volatile適合這種場景：一個變量被多個線程共享，線程直接給這個變量賦值。這是一種很簡單的同步場景，這時候使用volatile的開銷將會非常小。
以上所述是小編給大家介紹的Java線程安全問題小結，希望對大家有所幫助，如果大家有任何疑問請給我留言，小編會及時回復大家的。在此也非常感謝大家對服務器之家網站的支持！
