java高并發(fā)系列-第4天:JMM相關(guān)的一些概念

JMM(java內(nèi)存模型)，由于并發(fā)程序要比串行程序復(fù)雜很多，其中一個(gè)重要原因是并發(fā)程序中數(shù)據(jù)訪問一致性和安全性將會受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。如何保證一個(gè)線程可以看到正確的數(shù)據(jù)呢？這個(gè)問題看起來很白癡。對于串行程序來說，根本就是小菜一碟，如果你讀取一個(gè)變量，這個(gè)變量的值是1，那么你讀取到的一定是1，就是這么簡單的問題在并行程序中居然變得復(fù)雜起來。事實(shí)上，如果不加控制地任由線程胡亂并行，即使原本是1的數(shù)值，你也可能讀到2。因此我們需要在深入了解并行機(jī)制的前提下，再定義一種規(guī)則，保證多個(gè)線程間可以有小弟，正確地協(xié)同工作。而JMM也就是為此而生的。

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JMM關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)都是圍繞著多線程的原子性、可見性、有序性來建立的。我們需要先了解這些概念。

原子性

原子性是指操作是不可分的，要么全部一起執(zhí)行，要么不執(zhí)行。在java中，其表現(xiàn)在對于共享變量的某些操作，是不可分的，必須連續(xù)的完成。比如a++，對于共享變量a的操作，實(shí)際上會執(zhí)行3個(gè)步驟：

1.讀取變量a的值，假如a=1
2.a的值+1，為2
3.將2值賦值給變量a，此時(shí)a的值應(yīng)該為2

這三個(gè)操作中任意一個(gè)操作，a的值如果被其他線程篡改了，那么都會出現(xiàn)我們不希望出現(xiàn)的結(jié)果。所以必須保證這3個(gè)操作是原子性的，在操作a++的過程中，其他線程不會改變a的值，如果在上面的過程中出現(xiàn)其他線程修改了a的值，在滿足原子性的原則下，上面的操作應(yīng)該失敗。

java中實(shí)現(xiàn)原子操作的方法大致有2種：鎖機(jī)制、無鎖CAS機(jī)制，后面的章節(jié)中會有介紹。

可見性

可見性是指一個(gè)線程對共享變量的修改，對于另一個(gè)線程來說是否是可以看到的。有些同學(xué)會說修改同一個(gè)變量，那肯定是可以看到的，難道線程眼盲了？

為什么會出現(xiàn)這種問題呢？

看一下java線程內(nèi)存模型：

• 我們定義的所有變量都儲存在主內(nèi)存中
• 每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的工作內(nèi)存，里面保存該線程使用到的變量的副本（主內(nèi)存中該變量的一份拷貝）
• 線程對共享變量所有的操作都必須在自己的工作內(nèi)存中進(jìn)行，不能直接從主內(nèi)存中讀寫（不能越級）
• 不同線程之間也無法直接訪問其他線程的工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞需要通過主內(nèi)存來進(jìn)行。（同級不能相互訪問）

線程需要修改一個(gè)共享變量X，需要先把X從主內(nèi)存復(fù)制一份到線程的工作內(nèi)存，在自己的工作內(nèi)存中修改完畢之后，再從工作內(nèi)存中回寫到主內(nèi)存。
如果線程對變量的操作沒有刷寫回主內(nèi)存的話，僅僅改變了自己的工作內(nèi)存的變量的副本，那么對于其他線程來說是不可見的。
而如果另一個(gè)變量沒有讀取主內(nèi)存中的新的值，而是使用舊的值的話，同樣的也可以列為不可見。

共享變量可見性的實(shí)現(xiàn)原理：

線程A對共享變量的修改要被線程B及時(shí)看到的話，需要進(jìn)過以下步驟：

1.線程A在自己的工作內(nèi)存中修改變量之后，需要將變量的值刷新到主內(nèi)存中
2.線程B要把主內(nèi)存中變量的值更新到工作內(nèi)存中

關(guān)于線程可見性的控制，可以使用volatile、synchronized、鎖來實(shí)現(xiàn)，后面章節(jié)會有詳細(xì)介紹。

有序性

有序性指的是程序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

為了性能優(yōu)化，編譯器和處理器會進(jìn)行指令沖排序，有時(shí)候會改變程序語句的先后順序，比如程序。

int a = 1;  //1
int b = 20; //2
int c = a + b; //3

編譯器優(yōu)化后可能變成

int b = 20;  //1
int a = 1; //2
int c = a + b; //3

上面這個(gè)例子中，編譯器調(diào)整了語句的順序，但是不影響程序的最終結(jié)果。

在單例模式的實(shí)現(xiàn)上有一種雙重檢驗(yàn)鎖定的方式，代碼如下：

public class Singleton {
  static Singleton instance;
  static Singleton getInstance(){
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) {
        if (instance == null)
          instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
  }
}

我們先看instance = new Singleton();

未被編譯器優(yōu)化的操作：

1. 指令1：分配一款內(nèi)存M
2. 指令2：在內(nèi)存M上初始化Singleton對象
3. 指令3：將M的地址賦值給instance變量

編譯器優(yōu)化后的操作指令：

1. 指令1：分配一塊內(nèi)存S
2. 指令2：將M的地址賦值給instance變量
3. 指令3：在內(nèi)存M上初始化Singleton對象

現(xiàn)在有2個(gè)線程，剛好執(zhí)行的代碼被編譯器優(yōu)化過，過程如下：

最終線程B獲取的instance是沒有初始化的，此時(shí)去使用instance可能會產(chǎn)生一些意想不到的錯誤。

現(xiàn)在比較好的做法就是采用靜態(tài)內(nèi)部內(nèi)的方式實(shí)現(xiàn)：

public class SingletonDemo {
    private SingletonDemo() {
    }
    private static class SingletonDemoHandler{
        private static SingletonDemo instance = new SingletonDemo();
    }
    public static SingletonDemo getInstance() {
        return SingletonDemoHandler.instance;
    }
}

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