Java多线程之内存可见性
可见性
- 可见性: 一个线程对共享变量值的修改,能够及时地被其他线程看到.
- 共享变量: 如果一个变量在多个线程的工作内存中都存在副本,那么这个变量就是这几个线程的共享变量.
Java 内存模型(JMM)
Java内存模型(Java Memory Model)描述了Java程序中各种变量(线程共享变量)的访问规则,以及在JVM中将变量存储到内存和从内存中读取出变量这样的底层细节.
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所有变量都存储在主内存中
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每个线程都有自己独立的工作内存,里面保存该线程使用到的变量副本(主内存中该变量的拷贝)
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线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行,不能直接从主内存中读写.
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不同线程池之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量,线程间的变量值传递需要主内存来完成.
共享变量可见性实现的原理
线程1对共享变量的修改要想被线程2及时看到,必须要经过如下2步骤:
- 把工作内存1中更新过的共享变量刷新到主内存中,
- 将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中.
Synchronized实现可见性:
Java语言层面支持的可见性实现方式:
- synchronized
- volatile
JMM关于synchronized的两条规定:
- 线程解锁前,必须要共享变量的最新值刷新到主内存中,
- 线程加锁前,将清空工作内存中共享变量的值,从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值.
两条规定能保证,线程解锁前对共享变量的修改在下次加锁时对其他线程的可见性.
线程执行互斥代码的过程:
- 获取互斥锁
- 清空工作内存
- 从主内存中拷贝变量的最新副本到工作内存
- 执行代码
- 将更改后的共享变量值刷新到主内存中.
- 释放互斥锁.
指令重排序:代码书写的顺序与实际执行的顺序不同,指令重排序是编译器或处理为了提高程序性能而做的优化,分为三种:
- 编译器优化的重排序
- 指令级并行重排序
- 内存系统的重排序
as-if-serial:无论如何重排序,程序执行的结果都应该与代码顺序执行的结果一致(Java编译器,运行时和处理器都会保证java在单线程下遵循as-if-serial语义).
重排序不会给单线程带来内存可见性的问题,但是在多线程中程序交错执行时,重排序可能会造成内存可见性的问题.
public class NoVisibility {
private static boolean ready;
private static int number;
private static class ReaderThread extends Thread {
@Override
public void run() {
while (!ready) {
Thread.yield();
System.out.println(number);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new ReaderThread().start();
number = 42;
ready = true;
}
}
上面的程序可能会一直运行下去,因为线程可能永远读取不到ready的值.也可能输出为0,因为线程可能看到写入了ready的值,但是却没有看到number之后写入的值,这种现象称为"重排序".
Volatile实现可见性:
volatile关键字:
- 能够保证volatile变量的可见性
- 不能保证volatile变量复合操作的原子性
volatile如何实现内存可见性:
深入来说: 通过加入内存屏障(8条)和禁止重排序优化来实现.
- 对volatile变量执行写操作时,会在操作后加入一条store屏障指令(强制将变量值刷新到主内存中去)
- 对volatile变量执行读操作时,会在操作前加入一条load屏障指令(强制从主内存中读取变量的值)
线程写volatile变量的过程:
- 改变线程工作内存中的volatile变量副本的值
- 将改变后副本值从工作内存刷新到主内存中
线程读volatile变量的过程
- 从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中
- 从工作内存中读取volatile变量的副本
要在多线程中安全使用volatile变量,必须满足:
- 对变量的写入操作不能依赖当前值,或者你能确保只有一个单线程更新变量的值.
- 该变量不会与其他状态变量一起纳入不变性条件中
- 在访问变量时不需要加锁.
public class VolatileDemo {
private volatile int number = 0;
public int getNumber() {
return number;
}
public void increase() {
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
this.number++; //非原子操作导致结果可能不为500
}
public static void main(String... args) {
final VolatileDemo volatileDemo = new VolatileDemo();
for (int i = 0; i < 500; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
volatileDemo.increase();
}
}).start();
}
//主线程给子线程让出资源
while (Thread.activeCount() > 1) {
Thread.yield();
}
System.out.println("number:" + volatileDemo.getNumber());
}
}
想要保证this.number++的原子性操作,有三种方式:
- synchronized同步关键字
- Lock
- AotomicInteger
