JVM学习笔记(五)内存模型

目录

1、原子性

[1.1 问题分析](#1.1 问题分析)

[1.2 解决方法](#1.2 解决方法)

2、可见性

[2.1 退不出的循环](#2.1 退不出的循环)

[2.2 解决办法](#2.2 解决办法)

3、有序性

[3.1 诡异的结果](#3.1 诡异的结果)

[3.2 解决办法](#3.2 解决办法)

[3.3 有序性理解](#3.3 有序性理解)

[3.4 happens-before](#3.4 happens-before)

4、CAS与原子类

[4.1 CAS](#4.1 CAS)

[4.2 乐观锁与悲观锁](#4.2 乐观锁与悲观锁)

[4.3 原子操作类](#4.3 原子操作类)

[5、synchronized 优化](#5、synchronized 优化)

[5.1 轻量级锁](#5.1 轻量级锁)

[5.2 锁膨胀](#5.2 锁膨胀)

[5.3 重量锁](#5.3 重量锁)

[5.4 偏向锁](#5.4 偏向锁)

[5.5 其它优化](#5.5 其它优化)

[1. 减少上锁时间](#1. 减少上锁时间)

[2. 减少锁的粒度](#2. 减少锁的粒度)

[3. 锁粗化](#3. 锁粗化)

[4. 锁消除](#4. 锁消除)

[5. 读写分离](#5. 读写分离)


  • 与【java 内存结构】不同,【java 内存模型】是Java Memory Model(JMM)的意思。
  • 前三章主要介绍java内存结构(组成)、垃圾回收、字节码技术、类加载器,与内存模型这一章关联更多的是多线程,与前面的关联不大。
  • 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(权威解释可参考官网)。

1、原子性

1.1 问题分析

举例: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?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。

java 复制代码
public class Demo3_1 {

    static int a = 10;

    public static void main(String[] args) {
        addTest();

    }

    public static void addTest(){
        a++;
    }
}

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:

java 复制代码
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

对于 i-- 也是类似:

java 复制代码
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:

如果是单线程以下 8 行代码是顺序执行(不会交错)没有问题:

java 复制代码
// 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

出现负数的情况:

java 复制代码
// 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:

java 复制代码
// 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

1.2 解决方法

synchronized (同步关键字),语法:

java 复制代码
synchronized( 对象 ) {
    要作为原子操作代码
}

用 synchronized 解决并发问题:

java 复制代码
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);
}

优化:将synchronized提取到for循环外面,减少了加锁/解锁的次数:

java 复制代码
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                    i++;
                }
            }
        });

注意:上例中 t1 和 t2 线程必须用 synchronized 锁住同一个 obj 对象,否则没法起到同步的效果。

2、可见性

2.1 退不出的循环

现象如下,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 复制代码
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
}

分析原因:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 一秒之后,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。

2.2 解决办法

volatile(易变关键字)

它可以用来修饰成员变量静态成员变量,它可以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。

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,volatile 不能保证原子性,仅用在一个写线程,多个读线程的情况。

  • 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。
  • 如果在前面示例的死循环中加入 System.out.println() 会发现即使不加 volatile 修饰符,线程 t 也能正确看到对 run 变量的修改了,想一想为什么?(因为被synchronized同步代码块了)

3、有序性

3.1 诡异的结果

java 复制代码
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?

  • 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);

但还有可能是0 ,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。

3.2 解决办法

volatile 修饰的变量,可以禁用指令重排。

java 复制代码
volatile boolean ready = false;

3.3 有序性理解

java 复制代码
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,上面的代码不管先执行 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,既可以是先i后j,也可以先j后i。JVM 会在不影响正确性的前提下,可以调整语句的执行顺序,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:(使用时须加volatile)

java 复制代码
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:

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:

  • 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。

3.4 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。(以下变量都是指成员变量或静态成员变量)

  • 线程解锁synchronized(m)之前对变量的写,对于接下来对synchronized(m)加锁的其它线程对该变量的读可见;
  • 线程对volatile变量的写,对接下来其它线程对该变量的读可见;
  • 线程 start 前对变量的写,对该线程开始后对该变量的读可见;
  • 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);
  • 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);
  • 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。

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 复制代码
// 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(无需掌握,java中已经封装成原子类了,掌握原子类即可)。

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。

总结:java中的乐观锁就是CAS,悲观锁就是synchronized。

4.3 原子操作类

JUC(java.util.concurrent)中提供了原子操作类,可以提供线程安全的操作,如AtomicInteger、AtomicBoolean,它们底层就是采用CAS技术+volatile来实现的。

可以使用AtomicInteger改写之前的例子:

java 复制代码
// 创建原子整数对象(AtomicInteger就是采用CAS技术+volatile来实现的,代码中无需再加volatile)
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。

每个线程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;对象Mark Word会保存持有锁的记录地址,也就是说只有将这个地址修改为本线程的地址,才能加锁成功。

01(无锁)

00(轻量锁)

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。

通俗地说,轻量级锁是在A线程整个调用期间都没有竞争,若A线程执行任务还未结束前,B线程来了,这时就产生了竞争,就会锁膨胀------将轻量级锁变为重量级锁。

Mark Word会保存重量锁标记10,还会保存重量锁指针。

10(重量锁)

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,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。

自旋重试成功即加锁成功,自旋重试失败后进入阻塞状态。

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。【毁誉参半】

  • 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。

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 复制代码
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

参考:

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