河北大名网站建设招聘,百度快照投诉中心官网,梧州网站seo,商标注册要求深入理解Java虚拟机#xff1a;JVM高级特性与最佳实践-总结-13 Java内存模型与线程Java内存模型原子性、可见性与有序性先行发生原则 Java内存模型与线程
Java内存模型
原子性、可见性与有序性
Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来… 深入理解Java虚拟机JVM高级特性与最佳实践-总结-13 Java内存模型与线程Java内存模型原子性、可见性与有序性先行发生原则 Java内存模型与线程
Java内存模型
原子性、可见性与有序性
Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的不同的操作实现了这三个特性。
1. 原子性Atomicity
由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write这六个大致可以认为基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的例外就是long和double的非原子性协定但无须太过在意这些几乎不会发生的例外情况。
如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作。这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块——synchronized关键字因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。
2.可见性Visibility
可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时其他线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的无论是普通变量还是volatile变量都是如此。普通变量与volatile变量的区别是volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存以及每次使用前立即从主内存刷新。 因此我们可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性而普通变量则不能保证这一点。
除了volatile之外Java还有两个关键字能实现可见性它们是synchronized和final。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前必须先把此变量同步回主内存中执行store、write操作”这条规则获得的。而final关键字的可见性是指被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成并且构造器没有把“this”的引用传递出去this引用逃逸是一件很危险的事情其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象那么在其他线程中就能看见final字段的值。如下述代码所示变量i与j都具备可见性它们无须同步就能被其他线程正确访问
public static final int i;
public final int j;
static {i 0;// 省略后续动作
}{// 也可以选择在构造函数中初始化j 0;// 省略后续动作
}3.有序性Ordering
Java程序中天然的有序性可以总结为一句话如果在本线程内观察所有的操作都是有序的如果在一个线程中观察另一个线程所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内似表现为串行的语义”Within-Thread As-If-Serial Semantics后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。
Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义而synchronized则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。
介绍完并发中三种重要的特性synchronized关键字在需要这三种特性的时候都可以作为其中一种的解决方案。绝大部分并发控制操作都能使用synchronized来完成。synchronized的“万能”也间接造就了它被程序员滥用的局面越“万能”的并发控制通常会伴随着越大的性能影响。
先行发生原则
如果Java内存模型中所有的有序性都仅靠volatile和synchronized来完成那么有很多操作都将会变得非常啰嗦但是在编写Java并发代码的时候并没有察觉到这一点这是因为Java语言中有一个“先行发生”Happens-Before的原则。这个原则非常重要它是判断数据是否存在竞争线程是否安全的非常有用的手段。依赖这个原则可以通过几条简单规则一揽子解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题而不需要陷入Java内存模型苦涩难懂的定义之中。
**先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系比如说操作A先行发生于操作B其实就是说在发生操作B之前操作A产生的影响能被操作B观察到“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。**可以举个例子来说明一下。如下面代码所示的这三条伪代码 // 以下操作在线程A中执行i 1;// 以下操作在线程B中执行j i;// 以下操作在线程C中执行i 2;假设线程A中的操作“i1”先行发生于线程B的操作“ji”那我们就可以确定在线程B的操作执行后变量j的值一定是等于1得出这个结论的依据有两个一是根据先行发生原则“i1”的结果可以被观察到二是线程C还没登场线程A操作结束之后没有其他线程会修改变量i的值。现在再来考虑线程C我们依然保持线程A和B之间的先行发生关系而C出现在线程A和B的操作之间但是C与B没有先行发生关系那j的值会是多少呢答案是不确定1和2都有可能因为线程C对变量i的影响可能会被线程B观察到也可能不会这时候线程B就存在读取到过期数据的风险不具备多线程安全性。
下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列并且无法从下列规则推导出来则它们就没有顺序性保障虚拟机可以对它们随意地进行重排序。
程序次序规则Program Order Rule在一个线程内按照控制流顺序书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。注意这里说的是控制流顺序而不是程序代码顺序因为要考虑分支、循环等结构。管程锁定规则Monitor Lock Rule一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是“同一个锁”而“后面”是指时间上的先后。volatile变量规则Volatile Variable Rule对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作这里的“后面”同样是指时间上的先后。线程启动规则Thread Start RuleThread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。线程终止规则Thread Termination Rule线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测我们可以通过Thread::join()方法是否结束、Thread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止执行。线程中断规则Thread Interruption Rule对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生可以通过Thread::interrupted()方法检测到是否有中断发生。对象终结规则Finalizer Rule一个对象的初始化完成构造函数执行结束先行发生于它的finalize()方法的开始。传递性Transitivity如果操作A先行发生于操作B操作B先行发生于操作C那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。
Java语言无须任何同步手段保障就能成立的先行发生规则有且只有上面这些下面演示一下如何使用这些规则去判定操作间是否具备顺序性对于读写共享变量的操作来说就是线程是否安全。还可以从下面这个例子中感受一下“时间上的先后顺序”与“先行发生”之间有什么不同。演示例子如下面代码所示。 private int value 0;pubilc void setValue(int value) {this.value value;}public int getValue() {return value;}示例代码中显示的是一组再普通不过的getter/setter方法假设存在线程A和B线程A先时间上的先后调用了setValue(1)然后线程B调用了同一个对象的getValue()那么线程B收到的返回值是什么
依次分析一下先行发生原则中的各项规则。由于两个方法分别由线程A和B调用不在一个线程中所以程序次序规则在这里不适用由于没有同步块自然就不会发生lock和unlock操作所以管程锁定规则不适用由于value变量没有被volatile关键字修饰所以volatile变量规则不适用后面的线程启动、终止、中断规则和对象终结规则也和这里完全没有关系。因为没有一个适用的先行发生规则所以最后一条传递性也无从谈起因此可以判定尽管线程A在操作时间上先于线程B但是无法确定线程B中getValue()方法的返回结果换句话说这里面的操作不是线程安全的。
那怎么修复这个问题至少有两种比较简单的方案可以选择要么把getter/setter方法都定义为synchronized方法这样就可以套用管程锁定规则要么把value定义为volatile变量由于setter方法对value的修改不依赖value的原值满足volatile关键字使用场景这样就可以套用volatile变量规则来实现先行发生关系。
通过上面的例子我们可以得出结论一个操作“时间上的先发生”不代表这个操作会是“先行发生”。那如果一个操作“先行发生”是否就能推导出这个操作必定是“时间上的先发生”呢这个推论也是不成立的。一个典型的例子就是多次提到的“指令重排序”演示例子如下面示例代码所示。 // 以下操作在同一个线程中执行int i 1;int j 2;示例代码所示的两条赋值语句在同一个线程之中根据程序次序规则“int i1”的操作先行发生于“int j2”但是“int j2”的代码完全可能先被处理器执行这并不影响先行发生原则的正确性因为我们在这条线程之中没有办法感知到这一点。
上面两个例子综合起来证明了一个结论时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有因果关系所以我们衡量并发安全问题的时候不要受时间顺序的干扰一切必须以先行发生原则为准。
