Java线程安全 - 内存模型和相关的一些知识

2022-06-15 本文已影响0人右耳菌

多线程的问题

1、所见非所得
2、无法肉眼去检测程序的准确性
3、不同的运行平台有不同的表现
4、错误很难重现

volatile 关键字

可见性问题
让一个线程对共享变量的修改，能够及时的被其他线程看到。

Java内存模型规定：
对 volatile 变量v的写入，与所有其他线程后续对 v 的读同步

要满足以上条件，volatile关键字需要有以下的功能

禁止缓存
volatile变量的访问控制符会加个ACC_VOLATILE
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.5
对 volatile 变量相关的指令不做重排序
即JVM在进行编译的时候，正常情况下，会在JVM规定的规范内，对指令进行重排序，以提高运行效率（性能），而对于volatile修饰的内容，则不会进行重新排序。

Shared Variables 共享变量定义

可以在线程之间共享的内存称为共享内存或堆内存。
所有实例字段、静态字段和数组元素都存储在堆内存中，这些字段和数组都是标题中提到的共享变量。
冲突：如果至少有一个访问是写操作，那么对同一个变量的两次访问是冲突的。
这些能被多个线程访问的共享变量是内存模型规范的对象。

定义在: https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-17.html#jls-17.4.1

线程间操作的定义

1、线程间操作指:一个程序执行的操作可被其他线程感知或被其他线程直接影响。
2、Java内存模型只描述线程间操作，不描述线程内操作，线程内操作按照线程内语义执行。

操作间操作有:

read操作(一般读，即非volatile读)

write操作(一船写，即非volatile写)

volatile read

volatile write

Lock.(锁monitor)、Unlock

线程的第一个和最后一个操作

外部操作

对于同步的规则定义

对volatile变量v的写入，与所有其他线程后续对v的读同步
对于监视器m的解锁与所有后续操作对于m的加锁同步
对于每个属性写入默认值(0， false，null)与每个线程对其进行的操作同步
启动线程的操作与线程中的第一个操作同步
线程T2的最后操作与线程T1发现线程T2已经结束同步。( isAlive ,join可以判断线程是否终结)
如果线程T1中断了T2，那么线程T1的中断操作与其他所有线程发现T2被中断了同步通过抛出InterruptedException异常，或者调用Thread.interrupted或Thread.isInterrupted

Happens-before先行发生原则

happens-before关系用于描述两个有冲突的动作之间的顺序，如果一个action happends before另一个action，则第一个操作被第二个操作可见，JVM需要实现如下happens-before规则:

某个线程中的每个动作都 happens-before该线程中该动作后面的动作。
某个管程上的unlock动作 happens-before同一个管程上后续的lock动作
对某个volatile字段的写操作 happens-before每个后续对该volatile字段的读操作
在某个线程对象上调用start()方法 happens-before被启动线程中的任意动作
如果在线程t1中成功执行了t2.join()，则t2中的所有操作对t1可见
如果某个动作 a happens-before动作 b，且b happens-before 动作 c，则有a happens-before c.

当程序包含两个没有被happens-before关系排序的冲突访问时，就称存在数据竞争。
遵守了这个原则，也就意味着有些代码不能进行重排序，有些数据不能缓存!

final 在JVM中的处理

final在该对象的构造函数中设置对象的字段，当线程看到该对象时，将始终看到该对象的final字段的正确构造版本。伪代码示例:f = new finalDemo();读取到的f.x一定最新，x为final字段。

如果在构造函数中设置字段后发生读取，则会看到该final字段分配的值，否则它将看到默认值;伪代码示例:public finalDemo(){x= l; y=x;};y会等于1;

读取该共享对象的final成员变量之前，先要读取共享对象。
伪代码示例:r= new ReferenceObj(); k = r.f ;这两个操作不能重排序

通常被static final修饰的字段，不能被修改。然而System.in、System.out、System.err被static final修饰，却可以修改，遗留问题，必须允许通过set方法改变，我们将这些字段称为写保护，以区别于普通final字段

Word Teading 字节处理

有些处理器（尤其是早期的Alphas处理器）没有提供写单个字节的功能。在这样的处理器上更新 byte数组，若只是简单地读取整个内容，更新对应的字节，然后将整个内容再写回内存，将是不合法的。

这个问题有时候被称为“字分裂(word tearing)”，更新单个字节有难度的处理器，就需要寻求其它方式来解决问题。

因此，编程人员需要注意，尽量不要对byte]中的元素进行重新赋值，更不要在多线程程序中这样做。

double 和 long 的特殊处理

由于《Java语言规范》的原因，对非volatile的double、long的单次写操作是分两次来进行的，每次操作其中32位，这可能导致第一次写入后，读取的值是脏数据，第二次写完成后，才能读到正确值。

读写volatile修饰的long、double是原子性的。
商业JVM不会存在这个问题，虽然规范没要求实现原子性，但是考虑到实际应用，大部分都实现了原子性。
-《Java语言规范》中说道:建议程序员将共享的64位值(long、double)用volatile修饰或正确同步其程序以避免可能的复杂的情况。

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