java工具-高并发-JMM模型

JMM(java内存模型)，由于并发程序要比串行程序复杂很多，其中一个重要原因是并发程序中数据访问一致性 和安全性 将会受到严重挑战。如何保证一个线程可以看到正确的数据呢？ 这个问题看起来很白痴。对于串行程序来说，根本就是小菜一碟，如果你读取一个变量，这个变量的值是1，那么你读取到的一定是1，就是这么简单的问题在并行程序中居然变得复杂起来。事实上，如果不加控制地任由线程胡乱并行，即使原本是1的数值，你也可能读到2。因此我们需要在深入了解并行机制的前提下，再定义一种规则，保证多个线程间可以有小弟，正确地协同工作。而JMM也就是为此而生的。

JMM关键技术点都是围绕着多线程的原子性、可见性、有序性来建立的。我们需要先了解这些概念。

原子性

原子性是指操作是不可分的，要么全部一起执行，要么不执行。在java中，其表现在对于共享变量的某些操作，是不可分的，必须连续的完成。比如a++，对于共享变量a的操作，实际上会执行3个步骤：

1.读取变量a的值，假如a=1

2.a的值+1，为2

3.将2值赋值给变量a，此时a的值应该为2

这三个操作中任意一个操作，a的值如果被其他线程篡改了，那么都会出现我们不希望出现的结果。所以必须保证这3个操作是原子性的，在操作a++的过程中，其他线程不会改变a的值，如果在上面的过程中出现其他线程修改了a的值，在满足原子性的原则下，上面的操作应该失败。

java中实现原子操作的方法大致有2种：锁机制 、无锁CAS机制。

可见性

可见性是值一个线程对共享变量的修改，对于另一个线程来说是否是可以看到的。 有些同学会说修改同一个变量，那肯定是可以看到的，难道线程眼盲了？

为什么会出现这种问题呢？

看一下java线程内存模型：

我们定义的所有变量都储存在 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）
线程对共享变量所有的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写（不能越级）
不同线程之间也无法直接访问其他线程的工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来进行。（同级不能相互访问）

线程需要修改一个共享变量X，需要先把X从主内存复制一份到线程的工作内存，在自己的工作内存中修改完毕之后，再从工作内存中回写到主内存。如果线程对变量的操作没有刷写回主内存的话，仅仅改变了自己的工作内存的变量的副本，那么对于其他线程来说是不可见的。而如果另一个变量没有读取主内存中的新的值，而是使用旧的值的话，同样的也可以列为不可见。

共享变量可见性的实现原理：

线程A对共享变量的修改要被线程B及时看到的话，需要进过以下步骤：

1.线程A在自己的工作内存中修改变量之后，需要将变量的值刷新到主内存中

2.线程B要把主内存中变量的值更新到工作内存中

关于线程可见性的控制，可以使用volatile 、synchronized 、锁来实现。

有序性

有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行。

为了性能优化，编译器和处理器会进行指令冲排序，有时候会改变程序语句的先后顺序，比如程序。

ini 复制代码

int a = 1;  //1

int b = 20; //2

int c = a + b; //3

编译器优化后可能变成

ini 复制代码

int b = 20;  //1

int a = 1; //2

int c = a + b; //3

上面这个例子中，编译器调整了语句的顺序，但是不影响程序的最终结果。

在单例模式的实现上有一种双重检验锁定的方式，代码如下：

typescript 复制代码

public class Singleton {

  static Singleton instance;

  static Singleton getInstance(){

    if (instance == null) {

      synchronized(Singleton.class) {

        if (instance == null)

          instance = new Singleton();

        }

    }

    return instance;

  }

}

我们先看 instance=newSingleton();

未被编译器优化的操作：

指令1：分配一款内存M
指令2：在内存M上初始化Singleton对象
指令3：将M的地址赋值给instance变量

编译器优化后的操作指令：

指令1：分配一块内存S
指令2：将M的地址赋值给instance变量
指令3：在内存M上初始化Singleton对象

现在有2个线程，刚好执行的代码被编译器优化过，过程如下：

最终线程B获取的instance是没有初始化的，此时去使用instance可能会产生一些意想不到的错误。

现在比较好的做法就是采用静态内部内的方式实现：

csharp 复制代码

public class SingletonDemo {

    private SingletonDemo() {

    }

    private static class SingletonDemoHandler{

        private static SingletonDemo instance = new SingletonDemo();

    }

    public static SingletonDemo getInstance() {

        return SingletonDemoHandler.instance;

    }

}