细说Java多线程之内存可见性

作者: Hey_Shaw | 来源:发表于2018-04-16 11:31 被阅读269次

可见性介绍

可见性：一个线程对共享变量的值的修改，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。

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。

所有的变量都存储在主内存中
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的副本（主内存中该变量的一份拷贝）

006.png

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取
不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来完成

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个步骤：

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

练习题：

A、通过synchronized和volatile都可以实现可见性 √
B、不同线程之间可以直接访问其他线程工作内存中的变量 ×
C、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 √
D、所有的变量都存储在主内存中 √

要实现共享变量的可见性，必须保证两点：

线程修改后的共享变量值能够及时从工作内存刷新主内存中
其他线程能够及时把共享变量的最新值从主内存更新到自己的工作内存中

Java语言层面支持的可见性实现方式：

synchronized
volatile

synchronized能够实现

原子性（通过同步实现）
内存可见性

JMM关于synchronized的两条规定：

线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中
线程加锁时，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（注意：加锁与解锁需要是同一把锁）

线程解锁前对共享变量的修改在下一次加锁时对其他线程可见

线程执行互斥代码的过程：

1、获得互斥锁
2、清空工作内存
3、从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存
4、执行代码
5、将更改后的共享变量的值刷新到主内存
6、释放互斥锁

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器为了提高程序性能而做的优化
1、编译器优化的重排序（编译器优化）
2、指令集并行重排序（处理器优化）
3、内存系统的重排序（处理器优化）

as-if-serial：无论如何重排序，程序执行的结果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）

int num1 = 1 ;      // 第1行代码
int num2 = 2 ;      // 第2行代码
int sum = num1 + num2 ;  // 第3行代码

单线程：第1、2行的顺序可以重排，但第3行不能
重排序不会给单线程带来内存可见性问题
多线程中程序交错执行时，重排序可能会造成内存可见性问题

public class SynchronizedDemo {
    // 共享变量
    private boolean ready = false;
    private int result = 0;
    private int number = 1;

    // 写操作
    public void write() {
        ready = true; // 1.1
        number = 2; // 1.2
    }

    // 读操作
    public void read() {
        if (ready) { // 2.1
            result = number * 3; // 2.2
        }
        System.out.println("result的值为：" + result);
    }

    // 内部线程类
    private class ReadWriteThread extends Thread {
        // 根据构造方法中传入的flag参数，确定线程执行读操作还是写操作
        private boolean flag;

        public ReadWriteThread(boolean flag) {
            this.flag = flag;
        }

        @Override
        public void run() {
            if (flag) {
                // 构造方法中传入true，执行写操作
                write();
            } else {
                // 构造方法中传入false，执行读操作
                read();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        // 启动线程执行写操作
        SynchronizedDemo synDemo = new SynchronizedDemo();
        synDemo.new ReadWriteThread(true).start();
        
        // 程序并不牵涉线程交叉执行的问题，加入synchronized关键词result也有可能为0，加入休眠操作，等主线程苏醒，写线程基本执行完，所以主线程继续往下执行，启动读线程。基本可以保证结果为6。
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        // 启动线程执行读操作
        synDemo.new ReadWriteThread(false).start();

    }
}

结果可能出现：
result的值为：0
result的值为：6

导致共享变量在线程间不可见的原因：
1、线程的交叉执行
2、重排序结合线程交叉执行
3、共享变量更新后的值没有在工作内存与主内存间及时更新

synchronized解决方案：
1、原子性保证：线程的交叉执行
2、原子性保证：重排序结合线程交叉执行
3、可见性保证：共享变量更新后的值没有在工作内存与主内存间及时更新

练习题：
A、当两个并发线程访问同一个对象object中的这个synchronized(this)同步代码块时，一个时间内只能有一个线程得到执行。√
B、当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时，另一个线程仍然可以访问该object中的非synchronized(this)同步代码块。 √
C、当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时，其他线程对object中所有其它synchronized(this)同步代码块的访问不会被阻塞。 ×
D、当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时，它就获得了这个object的对象锁。结果，其它线程对该object对象所有同步代码部分的访问都被暂时阻塞。 √

volatile如何实现内存可见性：
深入来说：通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现的。

对volatile变量执行写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令
对volatile变量执行读操作时，会在写操作前加入一条load屏障指令
通俗的讲：volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中重读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫线程将最新的值刷新到主内存。这样任何时刻，不同的线程总能看到该变量的最新值。

线程写volatile变量的过程：
1、改变线程工作内存中volatile变量副本的值
2、将改变后的副本的值从工作内存刷新到主内存中

线程读volatile变量的过程：
1、从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中
2、从工作内存中读取volatile变量的副本

volatile不能保证volatile变量复合操作的原子性：

private int number = 0 ;
number ++ ;     // 不是原子性

1、读取number的值
2、将number的值加1
3、写入最新的number的值

synchronized(this){
    number ++ ;
}

加入synchronized，变为原子操作

private volatile int number = 0 ;

变为volatile变量，无法保证原子性

public class VolatileDemo {

    private volatile int number = 0;
    
    public int getNumber(){
        return this.number;
    }
    
    public void increase(){
        try {
            Thread.sleep(100);      // 更多出现小于500的现象
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        number++;
    }
    
    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        final VolatileDemo volDemo = new VolatileDemo();
        for(int i = 0 ; i < 500 ; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    volDemo.increase();
                }
            }).start();
        }
        
        //如果还有子线程在运行，主线程就让出CPU资源，直到所有的子线程都运行完了，主线程再继续往下执行
        while(Thread.activeCount() > 1){
            Thread.yield();
        }
        
        System.out.println("number : " + volDemo.getNumber());
    }

}

结果出现：number：494

007.png

008.png

009.png

010.png

synchronized实现number变量的原子性

public class VolatileDemo {

    private int number = 0;
    
    public int getNumber(){
        return this.number;
    }
    
    public void increase(){
        try {
            Thread.sleep(100);  // 更多出现小于500的现象
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        
        synchronized(this) {  // 放在increase()方法前，由于休眠，程序可能需要执行很长时间，这里缩小锁粒度，则利用此写法synchronized不仅保证了number变量的可见性，还保证了number++的原子性
            number++;
        }
    }
    
    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {

        final VolatileDemo volDemo = new VolatileDemo();
        for(int i = 0 ; i < 500 ; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    volDemo.increase();
                }
            }).start();
        }
        
        while(Thread.activeCount() > 1){
            Thread.yield();
        }
        
        System.out.println("number : " + volDemo.getNumber());
    }

}

ReentrantLock实现number变量在线程中的原子性

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class VolatileDemo {

    private Lock lock = new ReentrantLock();  // 用ReentrantLock实现number变量在线程中的原子性
    private int number = 0;
    
    public int getNumber(){
        return this.number;
    }
    
    public void increase(){
        try {
            Thread.sleep(100);  // 更多出现小于500的现象
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        
        lock.lock();  // 加锁 - 相当于进入synchronized代码块
        try {
            this.number++;
        } finally { // 锁内部操作可能会抛出异常，为保证锁一定被释放
            lock.unlock();  // 释放锁 - 相当于退出synchronized代码块
        }
    }
    
    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {

        final VolatileDemo volDemo = new VolatileDemo();
        for(int i = 0 ; i < 500 ; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    volDemo.increase();
                }
            }).start();
        }
        
        while(Thread.activeCount() > 1){
            Thread.yield();
        }
        
        System.out.println("number : " + volDemo.getNumber());
    }

}

volatile适用场合：
要在多线程中安全的使用volatile变量，必须同时满足：
1、对变量的写入操作不依赖其当前值

不满足：number++ 、 count = count * 5
满足：boolean变量、记录温度变化的变量等

2、该变量没有包含在具体其他变量的不变式中

不满足：不变式 low < up
volatile不需要加锁，比synchronized更轻量级，不会阻塞线程；
从内存可见性角度讲，volatile读相当于加锁，volatile写相当于解锁；
synchronized既能保证可见性，又能保证原子性，而volatile只能保证可见性，无法保证原子性。

A volatile是保证被修饰变量的可见性，同时也保证原子操作 ×
B Java中没有提供检测与避免死锁的专门机制，但应用程序员可以采用某些策略防止死锁的发生 √
C JAVA中对共享数据操作的并发控制是采用加锁技术 √
D 共享数据的访问权限都必须定义为private √

final也可以保证内存可见性

问：即使没有保证可见性的措施，很多时候共享变量依然能够在主内存和工作内存间得到即使的更新？

答：一般只有在短时间内高并发的情况下才会出现变量得不到及时更新的情况，因为CPU在执行时会很快地刷新缓存，所以一般情况下很难看到这种问题。

对64位（long、double）变量的读写可能不是原子操作：

Java内存模型允许JVM将没有被volatile修饰的64位数据类型的读写操作划分为两次32位的读写操作来进行。

导致问题：有可能会出现读取到“半个变量”的情况
解决办法：加volatile关键字

synchronized和volatile比较：

volatile比synchronized更轻量级
volatile没有synchronized使用的广泛

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