1. Java内存模型
很多人将Java 内存结构与java 内存模型傻傻分不清,java 内存模型是 Java Memory Model(JMM)的意思。
简单的说,JMM 定义了一套在多线程读写共享数据时(成员变量、数组)时,对数据的可见性、有序 性、和原子性的规则和保障。
2. 原子性
下面通过一个例子来说明一下原子性
**1.问题提出:**两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增,一个做自减,各做 5000 次,结果是 0 吗?
**2.问题分析:**以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢?因为 Java 中对静态变量的自增,自减并不是原子操作。
例如对于 i++ 而言(i 为静态变量),实际会产生如下的 JVM 字节码指令:
XML
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 加法
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而对应 i-- 也是类似:
XML
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 减法
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而 Java 的内存模型如下,完成静态变量的自增,自减需要在主存和线程内存中进行数据交换:
如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行,不会交错,所以没有问题:
XML
// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=1
iconst_1 // 线程1-准备常量1
isub // 线程1-自减 线程内i=0
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=0
但多线程下这 8 行代码可能交错运行。为什么会交错?思考一下
出现负数的情况:
XML
// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
iconst_1 // 线程2-准备常量1
isub // 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1
出现正数的情况:
XML
// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
iconst_1 // 线程2-准备常量1
isub // 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
3.解决方法
使用 synchronized 来解决
语法
java
synchronized( 对象 ) {
要作为原子操作代码
}
用 synchronized 解决并发问题:
java
static int i = 0;
static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 5000; j++) {
synchronized (obj) {
i++;
}
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 5000; j++) {
synchronized (obj) {
i--;
}
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
如何理解呢:
可以把 obj 想象成一个房间,线程 t1,t2 想象成两个人。 当线程 t1 执行到 synchronized(obj) 时就好比 t1 进入了这个房间,并反手锁住了门,在门内执行 count++ 代码。 这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(obj) 时,它发现门被锁住了,只能在门外等待。 当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码,这时候才会解开门上的锁,从 obj 房间出来。t2 线程这时才 可以进入 obj 房间,反锁住门,执行它的 count-- 代码。
**注意:**上例中 t1 和 t2 线程必须用 synchronized 锁住同一个 obj 对象,如果 t1 锁住的是 m1 对 象,t2 锁住的是 m2 对象,就好比两个人分别进入了两个不同的房间,没法起到同步的效果。
3. 可见性
1.退不出的循环
先来看一个现象,main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见,导致了 t 线程无法停止:
java
static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(()->{
while(run){
// ....
}
});
t.start();
Thread.sleep(1000);
run = false; // 线程t不会如预想的停下来
}
2.原因分析
初始状态, t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存。
因为 t 线程要频繁从主内存中读取 run 的值,JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中的高 速缓存中,减少对主存中 run 的访问,提高效率
1 秒之后,main 线程修改了 run 的值,并同步至主存,而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读 取这个变量的值,结果永远是旧值
3.解决方法
可以通过volatile(易变关键字)来解决
它可以用来修饰成员变量和静态成员变量,避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值,必须到 主存中获取它的值,线程操作 volatile 变量都是直接操作主存
4.可见性理解
前面例子体现的实际就是可见性,它保证的是在多个线程之间,一个线程对 volatile 变量的修改对另一个线程可见, 不能保证原子性,仅用在一个写线程,多个读线程的情况:
XML
getstatic run // 线程 t 获取 run true
getstatic run // 线程 t 获取 run true
getstatic run // 线程 t 获取 run true
getstatic run // 线程 t 获取 run true
putstatic run // 线程 main 修改 run 为 false, 仅此一次
getstatic run // 线程 t 获取 run false
比较一下之前我们将线程安全时举的例子:两个线程一个 i++ 一个 i-- ,只能保证看到最新值,不能解决指令交错
XML
//假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
iconst_1 // 线程2-准备常量1
isub // 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1
注意:
synchronized 语句块既可以保证代码块的原子性,也同时保证代码块内变量的可见性。但缺点是 synchronized是属于重量级操作,性能相对更低
4. 有序性
1.诡异的结果
java
int num = 0;
boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
if(ready) {
r.r1 = num + num;
} else {
r.r1 = 1;
}
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) {
num = 2;
ready = true;
}
I_Result 是一个对象,有一个属性 r1 用来保存结果,问,可能的结果有几种?
一般情况下大家会这么分析
- 情况1:线程1 先执行,这时 ready = false,所以进入 else 分支结果为 1
- 情况2:线程2 先执行 num = 2,但没来得及执行 ready = true,线程1 执行,还是进入 else 分支,结 果为1
- 情况3:线程2 执行到 ready = true,线程1 执行,这回进入 if 分支,结果为 4(因为 num 已经执行过了)
但我告诉你,结果还有可能是 0 😁😁😁,信不信吧!
- 这种情况下是:线程2 执行 ready = true,切换到线程1,进入 if 分支,相加为 0,再切回线程2 执行 num = 2
这种现象叫做指令重排,是 JIT 编译器在运行时的一些优化,这个现象需要通过大量测试才能复现:
借助 java 并发压测工具 jcstress https://wiki.openjdk.java.net/display/CodeTools/jcstress
XML
mvn archetype:generate -DinteractiveMode=false -
DarchetypeGroupId=org.openjdk.jcstress -DarchetypeArtifactId=jcstress-java-test-
archetype -DgroupId=org.sample -DartifactId=test -Dversion=1.0
创建 maven 项目,提供如下测试类
java
@JCStressTest
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!")
@State
public class ConcurrencyTest {
int num = 0;
boolean ready = false;
@Actor
public void actor1(I_Result r) {
if(ready) {
r.r1 = num + num;
} else {
r.r1 = 1;
}
}
@Actor
public void actor2(I_Result r) {
num = 2;
ready = true;
}
}
执行
XML
mvn clean install
java -jar target/jcstress.jar
会输出我们感兴趣的结果,摘录其中一次结果:
XML
*** INTERESTING tests
Some interesting behaviors observed. This is for the plain curiosity.
2 matching test results.
[OK] test.ConcurrencyTest
(JVM args: [-XX:-TieredCompilation])
Observed state Occurrences Expectation Interpretation
0 1,729 ACCEPTABLE_INTERESTING !!!!
1 42,617,915 ACCEPTABLE ok
4 5,146,627 ACCEPTABLE ok
[OK] test.ConcurrencyTest
(JVM args: [])
Observed state Occurrences Expectation Interpretation
0 1,652 ACCEPTABLE_INTERESTING !!!!
1 46,460,657 ACCEPTABLE ok
4 4,571,072 ACCEPTABLE ok
可以看到,出现结果为 0 的情况有 638 次,虽然次数相对很少,但毕竟是出现了。
2.解决方法
也是通过 volatile 关键字去修饰变量,可以禁用指令重排
java
@JCStressTest
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!")
@State
public class ConcurrencyTest {
int num = 0;
volatile boolean ready = false;
@Actor
public void actor1(I_Result r) {
if(ready) {
r.r1 = num + num;
} else {
r.r1 = 1;
}
}
@Actor
public void actor2(I_Result r) {
num = 2;
ready = true;
}
}
结果为:
XML
*** INTERESTING tests
Some interesting behaviors observed. This is for the plain curiosity.
0 matching test results.
3.有序性理解
JVM 会在不影响正确性的前提下,可以调整语句的执行顺序,思考下面一段代码
java
static int i;
static int j;
// 在某个线程内执行如下赋值操作
i = ...; // 较为耗时的操作
j = ...;
可以看到,至于是先执行 i 还是 先执行 j ,对最终的结果不会产生影响。所以,上面代码真正执行 时,既可以是
java
i = ...; // 较为耗时的操作
j = ...;
也可以是
java
j = ...;
i = ...; // 较为耗时的操作
这种特性称之为『指令重排』,多线程下『指令重排』会影响正确性,例如著名的 double-checked locking 模式实现单例
java
public final class Singleton {
private Singleton() { }
private static Singleton INSTANCE = null;
public static Singleton getInstance() {
// 实例没创建,才会进入内部的 synchronized代码块
if (INSTANCE == null) {
synchronized (Singleton.class) {
// 也许有其它线程已经创建实例,所以再判断一次
if (INSTANCE == null) {
INSTANCE = new Singleton();
}
}
}
return INSTANCE;
}
}
以上的实现特点是:
- 懒惰实例化
- 首次使用 getInstance() 才使用 synchronized 加锁,后续使用时无需加锁
但在多线程环境下,上面的代码是有问题的, INSTANCE = new Singleton() 对应的字节码为:
XML
0: new #2 // class cn/itcast/jvm/t4/Singleton
3: dup
4: invokespecial #3 // Method "<init>":()V
7: putstatic #4 // Field
INSTANCE:Lcn/itcast/jvm/t4/Singleton;
其中 4、7 两步的顺序不是固定的,也许 jvm 会优化为:先将引用地址赋值给 INSTANCE 变量后,再执行构造方法,如果两个线程 t1,t2 按如下时间序列执行:
XML
时间1 t1 线程执行到 INSTANCE = new Singleton();
时间2 t1 线程分配空间,为Singleton对象生成了引用地址(0 处)
时间3 t1 线程将引用地址赋值给 INSTANCE,这时 INSTANCE != null(7 处)
时间4 t2 线程进入getInstance() 方法,发现 INSTANCE != null(synchronized块外),直接
返回 INSTANCE
时间5 t1 线程执行Singleton的构造方法(4 处)
这时 t1 还未完全将构造方法执行完毕,如果在构造方法中要执行很多初始化操作,那么 t2 拿到的是将 是一个未初始化完毕的单例
对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可,可以禁用指令重排,但要注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才 会真正有效
4.happens-before
happens-before 规定了哪些写操作对其它线程的读操作可见,它是可见性与有序性的一套规则总结, 抛开以下 happens-before 规则,JMM 并不能保证一个线程对共享变量的写,对于其它线程对该共享变量的读可见。
- 线程解锁 m 之前对变量的写,对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见
java
static int x;
static Object m = new Object();
new Thread(()->{
synchronized(m) {
x = 10;
}
},"t1").start();
new Thread(()->{
synchronized(m) {
System.out.println(x);
}
},"t2").start();
- 线程对 volatile 变量的写,对接下来其它线程对该变量的读可见
java
volatile static int x;
new Thread(()->{
x = 10;
},"t1").start();
new Thread(()->{
System.out.println(x);
},"t2").start();
- 线程 start 前对变量的写,对该线程开始后对该变量的读可见
java
static int x;
x = 10;
new Thread(()->{
System.out.println(x);
},"t2").start();
- 线程结束前对变量的写,对其它线程得知它结束后的读可见(比如其它线程调用 t1.isAlive() 或 t1.join()等待它结束)
java
static int x;
Thread t1 = new Thread(()->{
x = 10;
},"t1");
t1.start();
t1.join();
System.out.println(x);
- 线程 t1 打断 t2(interrupt)前对变量的写,对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见(通 过t2.interrupted 或 t2.isInterrupted)
java
static int x;
public static void main(String[] args) {
Thread t2 = new Thread(()->{
while(true) {
if(Thread.currentThread().isInterrupted()) {
System.out.println(x);
break;
}
}
},"t2");
t2.start();
new Thread(()->{
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
x = 10;
t2.interrupt();
},"t1").start();
while(!t2.isInterrupted()) {
Thread.yield();
}
System.out.println(x);
}
- 对变量默认值(0,false,null)的写,对其它线程对该变量的读可见
- 具有传递性,如果 x hb-> y 并且 y hb-> z 那么有 x hb-> z
变量都是指成员变量或静态成员变量
4. CAS 与 原子类
4.1 CAS
CAS 即 Compare and Swap ,它体现的一种乐观锁的思想,比如多个线程要对一个共享的整型变量执行 +1 操作:
java
// 需要不断尝试
while(true) {
int 旧值 = 共享变量 ; // 比如拿到了当前值 0
int 结果 = 旧值 + 1; // 在旧值 0 的基础上增加 1 ,正确结果是 1
/*
这时候如果别的线程把共享变量改成了 5,本线程的正确结果 1 就作废了,这时候
compareAndSwap 返回 false,重新尝试,直到:
compareAndSwap 返回 true,表示我本线程做修改的同时,别的线程没有干扰
*/
if( compareAndSwap ( 旧值, 结果 )) {
// 成功,退出循环
}
}
获取共享变量时,为了保证该变量的可见性,需要使用 volatile 修饰。结合 CAS 和 volatile 可以实现无 锁并发,适用于竞争不激烈、多核 CPU 的场景下。
- 因为没有使用 synchronized,所以线程不会陷入阻塞,这是效率提升的因素之一
- 但如果竞争激烈,可以想到重试必然频繁发生,反而效率会受影响
CAS 底层依赖于一个 Unsafe 类来直接调用操作系统底层的 CAS 指令,下面是直接使用 Unsafe 对象进 行线程安全保护的一个例子
java
import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
public class TestCAS {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
DataContainer dc = new DataContainer();
int count = 5;
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < count; i++) {
dc.increase();
}
});
t1.start();
t1.join();
System.out.println(dc.getData());
}
}
class DataContainer {
private volatile int data;
static final Unsafe unsafe;
static final long DATA_OFFSET;
static {
try {
// Unsafe 对象不能直接调用,只能通过反射获得
Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
theUnsafe.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
throw new Error(e);
}
try {
// data 属性在 DataContainer 对象中的偏移量,用于 Unsafe 直接访问该属性
DATA_OFFSET =
unsafe.objectFieldOffset(DataContainer.class.getDeclaredField("data"));
} catch (NoSuchFieldException e) {
throw new Error(e);
}
}
public void increase() {
int oldValue;
while(true) {
// 获取共享变量旧值,可以在这一行加入断点,修改 data 调试来加深理解
oldValue = data;
// cas 尝试修改 data 为 旧值 + 1,如果期间旧值被别的线程改了,返回 false
if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue + 1)) {
return;
}
}
}
public void decrease() {
int oldValue;
while(true) {
oldValue = data;
if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue - 1)) {
return;
}
}
}
public int getData() {
return data;
}
}
4.2 乐观锁与悲观锁
CAS 是基于乐观锁的思想:最乐观的估计,不怕别的线程来修改共享变量,就算改了也没关系, 我吃亏点再重试呗。
synchronized 是基于悲观锁的思想:最悲观的估计,得防着其它线程来修改共享变量,我上了锁 你们都别想改,我改完了解开锁,你们才有机会。
4.3 原子操作类
juc(java.util.concurrent)中提供了原子操作
java
// 创建原子整数对象
private static AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 5000; j++) {
i.getAndIncrement(); // 获取并且自增 i++
// i.incrementAndGet(); // 自增并且获取 ++i
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 5000; j++) {
i.getAndDecrement(); // 获取并且自减 i--
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
5. synchronized 优化
Java HotSpot 虚拟机中,每个对象都有对象头(包括 class 指针和 Mark Word)。Mark Word 平时存储这个对象的 哈希码 、 分代年龄 ,当加锁时,这些信息就根据情况被替换为标记位 、 线程锁记录指针 、 重量级锁指针 、 线程 ID 等内容
5.1 轻量级锁
如果一个对象虽然有多线程访问,但多线程访问的时间是错开的(也就是没有竞争),那么可以使用轻 量级锁来优化。这就好比:
- 学生(线程 A)用课本占座,上了半节课,出门了(CPU时间到),回来一看,发现课本没变,说明没 有竞争,继续上他的课。
- 如果这期间有其它学生(线程 B)来了,会告知(线程A)有并发访问,线程 A 随即升级为重量级锁, 进入重量级锁的流程。
- 而重量级锁就不是那么用课本占座那么简单了,可以想象线程 A 走之前,把座位用一个铁栅栏围起来
假设有两个方法同步块,利用同一个对象加锁
java
static Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
method2();
}
}
public static void method2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
}
}
每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构,内部可以存储锁定对象的 Mark Word
5.2 锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中,CAS 操作无法成功,这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁(有竞争),这时需要进行锁膨胀,将轻量级锁变为重量级锁。
java
static Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块
}
}
5.3 重量锁
重量级锁竞争的时候,还可以使用自旋来进行优化,如果当前线程自旋成功(即这时候持锁线程已经退 出了同步块,释放了锁),这时当前线程就可以避免阻塞。
在 Java 6 之后自旋锁是自适应的,比如对象刚刚的一次自旋操作成功过,那么认为这次自旋成功的可能 性会高,就多自旋几次;反之,就少自旋甚至不自旋,总之,比较智能。
- 自旋会占用 CPU 时间,单核 CPU 自旋就是浪费,多核 CPU 自旋才能发挥优势。
- 好比等红灯时汽车是不是熄火,不熄火相当于自旋(等待时间短了划算),熄火了相当于阻塞(等 待时间长了划算)
- Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能
自旋重试成功的情况
自旋重试失败的情况
5.4 偏向锁
轻量级锁在没有竞争时(就自己这个线程),每次重入仍然需要执行 CAS 操作。Java 6 中引入了偏向锁 来做进一步优化:只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头,之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争,不用重新 CAS.
- 撤销偏向需要将持锁线程升级为轻量级锁,这个过程中所有线程需要暂停(STW)
- 访问对象的 hashCode 也会撤销偏向锁
- 如果对象虽然被多个线程访问,但没有竞争,这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2, 重偏向会重置对象的 Thread ID
- 撤销偏向和重偏向都是批量进行的,以类为单位
- 如果撤销偏向到达某个阈值,整个类的所有对象都会变为不可偏向的
- 可以主动使用 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁
假设有两个方法同步块,利用同一个对象加锁
java
static Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
method2();
}
}
public static void method2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
}
}
5.5 其它优化
1. 减少上锁时间
同步代码块中尽量短
2. 减少锁的粒度
将一个锁拆分为多个锁提高并发度,例如:
- ConcurrentHashMap
- LongAdder 分为 base 和 cells 两部分。没有并发争用的时候或者是 cells 数组正在初始化的时 候,会使用 CAS 来累加值到 base,有并发争用,会初始化 cells 数组,数组有多少个 cell,就允 许有多少线程并行修改,最后将数组中每个 cell 累加,再加上 base 就是最终的值
- LinkedBlockingQueue 入队和出队使用不同的锁,相对于LinkedBlockingArray只有一个锁效率要 高
3. 锁粗化
多次循环进入同步块不如同步块内多次循环
另外 JVM 可能会做如下优化,把多次 append 的加锁操作粗化为一次(因为都是对同一个对象加锁, 没必要重入多次)
java
new StringBuffer().append("a").append("b").append("c");
4. 锁消除
JVM 会进行代码的逃逸分析,例如某个加锁对象是方法内局部变量,不会被其它线程所访问到,这时候就会被即时编译器忽略掉所有同步操作。
5. 读写分离
CopyOnWriteArrayList
ConyOnWriteSet