如何理解JAVA的多線程

這篇文章主要介紹“如何理解JAVA的多線程”，在日常操作中，相信很多人在如何理解JAVA的多線程問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡(jiǎn)單好用的操作方法，希望對(duì)大家解答”如何理解JAVA的多線程”的疑惑有所幫助！接下來(lái)，請(qǐng)跟著小編一起來(lái)學(xué)習(xí)吧！

成都創(chuàng)新互聯(lián)公司服務(wù)項(xiàng)目包括三原網(wǎng)站建設(shè)、三原網(wǎng)站制作、三原網(wǎng)頁(yè)制作以及三原網(wǎng)絡(luò)營(yíng)銷策劃等。多年來(lái)，我們專注于互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，利用自身積累的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、行業(yè)經(jīng)驗(yàn)、深度合作伙伴關(guān)系等，向廣大中小型企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)等提供互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的解決方案，三原網(wǎng)站推廣取得了明顯的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。目前，我們服務(wù)的客戶以成都為中心已經(jīng)輻射到三原省份的部分城市，未來(lái)相信會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大服務(wù)區(qū)域并繼續(xù)獲得客戶的支持與信任！

多線程

計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)體系

要想明白數(shù)據(jù)一致性問題，要先縷下計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，從本地磁盤到主存到CPU緩存，也就是從硬盤到內(nèi)存，到CPU。一般對(duì)應(yīng)的程序的操作就是從數(shù)據(jù)庫(kù)查數(shù)據(jù)到內(nèi)存然后到CPU進(jìn)行計(jì)算。這個(gè)描述有點(diǎn)粗，下邊畫個(gè)圖。

業(yè)內(nèi)畫這個(gè)圖一般都是畫的金字塔型狀，為了證明是我自己畫的我畫個(gè)長(zhǎng)方型的（其實(shí)我不會(huì)畫金字塔）。

CPU多個(gè)核心和內(nèi)存之間為了保證內(nèi)部數(shù)據(jù)一致性還有一個(gè)緩存一致性協(xié)議（MESI），MESI其實(shí)就是指令狀態(tài)中的首字母。M（Modified）修改，E（Exclusive）獨(dú)享、互斥，S（Shared）共享，I（Invalid）無(wú)效。然后再看下邊這個(gè)圖。

太細(xì)的狀態(tài)流轉(zhuǎn)就不作描述了，扯這么多主要是為了說明白為什么會(huì)有數(shù)據(jù)一致性問題，就是因?yàn)橛羞@么多級(jí)的緩存，CPU的運(yùn)行并不是直接操作內(nèi)存而是先把內(nèi)存里邊的數(shù)據(jù)讀到緩存，而內(nèi)存的讀和寫操作的時(shí)候就會(huì)造成不一致的問題。解決一致性問題怎么辦呢，兩個(gè)思路。

1. 鎖住總線，操作時(shí)鎖住總線，這樣效率非常低，所以考慮第二個(gè)思路。

2. 緩存一致性，每操作一次通知（一致性協(xié)議MESI），（但多線程的時(shí)候還是會(huì)有問題，后文講）

JAVA內(nèi)存模型

上邊稍微扯了一下存儲(chǔ)體系是為了在這里寫一下JAVA內(nèi)存模型。

Java虛擬機(jī)規(guī)范中試圖定義一種Java內(nèi)存模型（java Memory Model) 來(lái)屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果。

內(nèi)存模型是內(nèi)存和線程之間的交互、規(guī)則。與編譯器有關(guān)，有并發(fā)有關(guān)，與處理器有關(guān)。

Java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序中各個(gè)變量的訪問規(guī)則，即在虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)。此處的變量與Java編程中所說的變量有所區(qū)別，它包括 了實(shí)例字段、靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素，但不包括局部變量與方法參數(shù)，因?yàn)楹笳呤蔷€程私有的，不會(huì)被共享，自然就不會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)問題。為了獲得較好的執(zhí)行效能，Java內(nèi)存模型并沒有限制執(zhí)行引擎使用處理器特定寄存器或緩存來(lái)和主內(nèi)存進(jìn)行交互，也沒有限制即時(shí)編譯器進(jìn)行調(diào)整代碼執(zhí)行順序這類優(yōu)化措施。

Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中。每條線程還有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存中保存了該線程使用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對(duì)變量的所有操作（讀取，賦值等 ）都必需在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。不同的線程之間也無(wú)法直接訪問對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要通過主內(nèi)存來(lái)完成。

這里所說的主內(nèi)存、工作內(nèi)存和Java內(nèi)存區(qū)域中的Java堆、棧、方法區(qū)等并不是同一個(gè)層次的內(nèi)存劃分，這兩者基本上是沒有關(guān)系的。 如果兩者一定要勉強(qiáng)對(duì)應(yīng)起來(lái)，那從變量、主內(nèi)存、工作內(nèi)存的定義來(lái)看，主內(nèi)存對(duì)應(yīng)Java堆中的對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)部分 ，而工作內(nèi)存則對(duì)應(yīng)于虛擬機(jī)棧中的部分區(qū)域。從更底層次上說，主內(nèi)存就是直接對(duì)應(yīng)于物理硬件的內(nèi)存，而為了獲取更好的運(yùn)行速度，虛擬機(jī)可能會(huì)讓工作內(nèi)存優(yōu)先存儲(chǔ)于寄存器和高速緩存中，因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行時(shí)主要訪問讀寫的是工作內(nèi)存。

前邊說的都是和內(nèi)存有關(guān)的內(nèi)容，其實(shí)多線程有關(guān)系的還有指令重排序，指令重排序也會(huì)造成在多線程訪問下結(jié)束和想的不一樣的情況。大段的介紹就不寫了要不篇幅太長(zhǎng)了（JVM那里書里邊有）。主要就是在CPU執(zhí)行指令的時(shí)候會(huì)進(jìn)行執(zhí)行順序的優(yōu)化。畫個(gè)圖看一下吧。

具體理論后文再寫先來(lái)點(diǎn)干貨，直接上代碼，一看就明白。

public class HappendBeforeTest {
    int a = 0;
    int b = 0;
    public static void main(String[] args) {
        HappendBeforeTest test = new HappendBeforeTest();
        Thread threada = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                test.a = 1;
                System.out.println("b=" + test.b);
            }
        };
        Thread threadb = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                test.b = 1;
                System.out.println("a=" + test.a);
            }
        };
        threada.start();
        threadb.start();
    }
}

猜猜有可能輸出什么？多選

A：ａ＝０，ｂ＝１
B：ａ＝１，ｂ＝０
C：ａ＝０，ｂ＝０
D：ａ＝１，ｂ＝１

上邊這段代碼不太好調(diào)，然后我稍微改造了一下。

public class HappendBeforeTest {
    static int a = 0;
    static int b = 0;
    static int x = 0;
    static int y = 0;
    public static void shortWait(long interval) {
        long start = System.nanoTime();
        long end;
        do {
            end = System.nanoTime();
        }
        while (start + interval >= end);
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (; ; ) {
            Thread threada = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    a = 1;
                    x = b;
                }
            };
            Thread threadb = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    b = 1;
                    y = a;
                }
            };
            Thread starta = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    // 由于線程threada先啟動(dòng)
                    //下面這句話讓它等一等線程startb
                    shortWait(100);
                    threada.start();
                }
            };
            Thread startb = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    threadb.start();
                }
            };
            starta.start();
            startb.start();
            starta.join();
            startb.join();
            threada.join();
            threadb.join();
            a = 0;
            b = 0;
            System.out.print("x=" + x);
            System.out.print("y=" + y);
            if (x == 0 && y == 0) {
                break;
            }
            x = 0;
            y = 0;
            System.out.println();
        }
    }
}

這段代碼，a和b初始值為0，然后兩個(gè)線程同時(shí)啟動(dòng)分別設(shè)置a=1,x=b和b=1,y=a。這個(gè)代碼里邊的starta和startb線程完全是為了讓threada 和threadb 兩個(gè)線程盡量同時(shí)啟動(dòng)而加的，里邊只是分別調(diào)用了threada 和threadb 兩個(gè)線程。然后無(wú)限循環(huán)只要x和y 不同時(shí)等于0就初始化所有值繼續(xù)循環(huán)，直到x和y都是0的時(shí)候break。你猜猜會(huì)不會(huì)break。

結(jié)果看截圖

因?yàn)槲覜]有記錄循環(huán)次數(shù)，不知道循環(huán)了幾次，然后觸發(fā)了條件break了。從代碼上看，在輸出A之前必然會(huì)把B設(shè)置成1，在輸出B之前必然會(huì)把A設(shè)置為1。那為什么會(huì)出現(xiàn)同時(shí)是零的情況呢。這就很有可能是指令被重排序了。

指令重排序簡(jiǎn)單了說是就兩行以上不相干的代碼在執(zhí)行的時(shí)候有可能先執(zhí)行的不是第一條。也就是執(zhí)行順序會(huì)被優(yōu)化。

如何判斷你寫的代碼執(zhí)行順序會(huì)不會(huì)被優(yōu)化，要看代碼之間有沒有Happens-before關(guān)系。Happens-before就是不無(wú)需任何干涉就可以保證有有序執(zhí)行，由于篇幅限制Happens-before就不在這里多做介紹。

下面簡(jiǎn)單介紹一下java里邊的一個(gè)關(guān)鍵字volatile。volatile簡(jiǎn)單來(lái)說就是來(lái)解決重排序問題的。對(duì)一個(gè)volatile變量的寫，一定happen-before后續(xù)對(duì)它的讀。也就是你在寫代碼的時(shí)候不希望你的代碼被重排序就使用volatile關(guān)鍵字。volatile還解決了內(nèi)存可見性問題，在執(zhí)行執(zhí)行的時(shí)候一共有8條指令lock(鎖定)、read(讀取)、load(載入)、use(使用)、assign(賦值)、store(存儲(chǔ))、write(寫入)、unlock(解鎖)（篇幅限制具體指令內(nèi)容自行查詢，看下圖大概有個(gè)了解）。

volatile主要是對(duì)其中4條指令做了處理。如下圖

也就是把 load和use關(guān)聯(lián)執(zhí)行，把a(bǔ)ssign和store關(guān)聯(lián)執(zhí)行。眾所周知有l(wèi)oad必需有read現(xiàn)在load又和use關(guān)聯(lián)也就是要在緩存中要use的時(shí)候就必須要load要load就必需要read。通俗講就是要use(使用)一個(gè)變量的時(shí)候必需load(載入），要載入的時(shí)候必需從主內(nèi)存read(讀取）這樣就解決了讀的可見性。下面看寫操作它是把a(bǔ)ssign和store做了關(guān)聯(lián)，也就是在assign(賦值)后必需store(存儲(chǔ))。store(存儲(chǔ)）后write(寫入）。也就是做到了給一個(gè)變量賦值的時(shí)候一串關(guān)聯(lián)指令直接把變量值寫到主內(nèi)存。就這樣通過用的時(shí)候直接從主內(nèi)存取，在賦值到直接寫回主內(nèi)存做到了內(nèi)存可見性。

無(wú)鎖編程

我在網(wǎng)上看到大部分寫多線程的時(shí)候都會(huì)寫到鎖，AQS和線程池。由于網(wǎng)文太多本文就不多做介紹。下面簡(jiǎn)單寫一寫CAS。

CAS是一個(gè)比較魔性的操作，用的好可以讓你的代碼更優(yōu)雅更高效。它就是無(wú)鎖編程的核心。

CAS書上是這么介紹的：“CAS即Compare and Swap，是JDK提供的非阻塞原子性操作，它通過硬件保證了比較-更新的原子性”。他是非阻塞的還是原子性，也就是說這玩意效率更高。還是通過硬件保證的說明這玩意更可靠。

從上圖可以看出，在cas指令修改變量值的時(shí)候，先要進(jìn)行值的判斷，如果值和原來(lái)的值相等說明還沒有被其它線程改過，則執(zhí)行修改，如果被改過了，則不修改。在java里邊java.util.concurrent.atomic包下邊的類都使用了CAS操作。最常用的方法就是compareAndSet。其底層是調(diào)用的Unsafe類的compareAndSwap方法。

到此，關(guān)于“如何理解JAVA的多線程”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編會(huì)繼續(xù)努力為大家?guī)?lái)更多實(shí)用的文章！

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