展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows PDF教程 macOS软件 IOS软件 Android AI 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 编程开发 > Java并发编程实例:深入理解JMM

Java并发编程实例:深入理解JMM

一、什么是JMMJMM就是Java内存模型(javamemorymodel)。因为在不同的硬件生产商和不同的操作系统下,内存的访问有一定的差异,所以会造成相同的代码运行在不同的系统上会出现各种问题。所以java内存模型(JMM)屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异,以实现让java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。Java内存模型规定所有的变量都存储在主内存中,包括实例变量,静态变量,但是不包括局部变量和方法参数。每个线程都有自己的工作内存,线程的工作内存保存了该线程用到的变量和主内存的副本拷贝,

本文目录

    一、什么是JMM

    JMM就是Java内存模型(java memory model)。因为在不同的硬件生产商和不同的操作系统下,内存的访问有一定的差异,所以会造成相同的代码运行在不同的系统上会出现各种问题。所以java内存模型(JMM)屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异,以实现让java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。

    Java内存模型规定所有的变量都存储在主内存中,包括实例变量,静态变量,但是不包括局部变量和方法参数。每个线程都有自己的工作内存,线程的工作内存保存了该线程用到的变量和主内存的副本拷贝,线程对变量的操作都在工作内存中进行。线程不能直接读写主内存中的变量。

    不同的线程之间也无法访问对方工作内存中的变量。线程之间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

    Java并发编程实例:深入理解JMM

    每个线程的工作内存都是独立的,线程操作数据只能在工作内存中进行,然后刷回到主存。这是 Java 内存模型定义的线程基本工作方式。

    温馨提醒一下,这里有些人会把Java内存模型误解为Java内存结构,然后答到堆,栈,GC垃圾回收,最后和面试官想问的问题相差甚远。实际上一般问到Java内存模型都是想问多线程,Java并发相关的问题。

    二、JMM定义了什么

    这个简单,整个Java内存模型实际上是围绕着三个特征建立起来的。分别是:原子性,可见性,有序性。这三个特征可谓是整个Java并发的基础。

    原子性

    原子性指的是一个操作是不可分割,不可中断的,一个线程在执行时不会被其他线程干扰。

    面试官拿笔写了段代码,下面这几句代码能保证原子性吗?

    int i = 2;
    int j = i;
    i++;
    i = i + 1;

    第一句是基本类型赋值操作,必定是原子性操作。

    第二句先读取i的值,再赋值到j,两步操作,不能保证原子性。

    第三和第四句其实是等效的,先读取i的值,再+1,最后赋值到i,三步操作了,不能保证原子性。

    JMM只能保证基本的原子性,如果要保证一个代码块的原子性,提供了monitorenter 和 moniterexit 两个字节码指令,也就是 synchronized 关键字。因此在 synchronized 块之间的操作都是原子性的。

    可见性

    可见性指当一个线程修改共享变量的值,其他线程能够立即知道被修改了。Java是利用volatile关键字来提供可见性的。 当变量被volatile修饰时,这个变量被修改后会立刻刷新到主内存,当其它线程需要读取该变量时,会去主内存中读取新值。而普通变量则不能保证这一点。

    除了volatile关键字之外,final和synchronized也能实现可见性。

    synchronized的原理是,在执行完,进入unlock之前,必须将共享变量同步到主内存中。

    final修饰的字段,一旦初始化完成,如果没有对象逸出(指对象为初始化完成就可以被别的线程使用),那么对于其他线程都是可见的。

    有序性

    在Java中,可以使用synchronized或者volatile保证多线程之间操作的有序性。实现原理有些区别:

    volatile关键字是使用内存屏障达到禁止指令重排序,以保证有序性。

    synchronized的原理是,一个线程lock之后,必须unlock后,其他线程才可以重新lock,使得被synchronized包住的代码块在多线程之间是串行执行的。

    三、八种内存交互操作

    内存交互操作有8种:

    • lock(锁定),作用于主内存中的变量,把变量标识为线程独占的状态。

    • read(读取),作用于主内存的变量,把变量的值从主内存传输到线程的工作内存中,以便下一步的load操作使用。

    • load(加载),作用于工作内存的变量,把read操作主存的变量放入到工作内存的变量副本中。

    • use(使用),作用于工作内存的变量,把工作内存中的变量传输到执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

    • assign(赋值),作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎中接受到的值赋值给工作内存的变量副本中,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时将会执行这个操作。

    • store(存储),作用于工作内存的变量,它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中,以便后续的write使用。

    • write(写入):作用于主内存中的变量,它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

    • unlock(解锁):作用于主内存的变量,它把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其他线程锁定。

    我再补充一下JMM对8种内存交互操作制定的规则吧:

    • 不允许read、load、store、write操作之一单独出现,也就是read操作后必须load,store操作后必须write。

    • 不允许线程丢弃他最近的assign操作,即工作内存中的变量数据改变了之后,必须告知主存。

    • 不允许线程将没有assign的数据从工作内存同步到主内存。

    • 一个新的变量必须在主内存中诞生,不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是对变量实施use、store操作之前,必须经过load和assign操作。

    • 一个变量同一时间只能有一个线程对其进行lock操作。多次lock之后,必须执行相同次数unlock才可以解锁。

    • 如果对一个变量进行lock操作,会清空所有工作内存中此变量的值。在执行引擎使用这个变量前,必须重新load或assign操作初始化变量的值。

    • 如果一个变量没有被lock,就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量。

    • 一个线程对一个变量进行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存。

    四、volatile关键字

    很多并发编程都使用了volatile关键字,主要的作用包括两点:

    • 保证线程间变量的可见性。

    • 禁止CPU进行指令重排序。

    可见性

    volatile修饰的变量,当一个线程改变了该变量的值,其他线程是立即可见的。普通变量则需要重新读取才能获得最新值。

    volatile保证可见性的流程大概就是这个一个过程:

    Java并发编程实例:深入理解JMM

    volatile一定能保证线程安全吗

    先说结论吧,volatile不能一定能保证线程安全。

    怎么证明呢,我们看下面一段代码的运行结果就知道了:

    public class VolatileTest extends Thread {
    private static volatile int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws Exception {
    Vector threads = new Vector<>();
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
    VolatileTest thread = new VolatileTest();
    threads.add(thread);
    thread.start();
    }
    //等待子线程全部完成
    for (Thread thread : threads) {
    thread.join();
    }
    //输出结果,正确结果应该是1000,实际却是984
    System.out.println(count);//984
    }
    @Override
    public void run() {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
    try {
    //休眠500毫秒
    Thread.sleep(500);
    } catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
    }
    count++;
    }
    }
    }

    为什么volatile不能保证线程安全?

    很简单呀,可见性不能保证操作的原子性,前面说过了count++不是原子性操作,会当做三步,先读取count的值,然后+1,最后赋值回去count变量。需要保证线程安全的话,需要使用synchronized关键字或者lock锁,给count++这段代码上锁:

    private static synchronized void add() {
    count++;
    }

    禁止指令重排序

    首先要讲一下as-if-serial语义,不管怎么重排序,(单线程)程序的执行结果不能被改变。

    为了使指令更加符合CPU的执行特性,最大限度的发挥机器的性能,提高程序的执行效率,只要程序的最终结果与它顺序化情况的结果相等,那么指令的执行顺序可以与代码逻辑顺序不一致,这个过程就叫做指令的重排序。

    重排序的种类分为三种,分别是:编译器重排序,指令级并行的重排序,内存系统重排序。整个过程如下所示:

    Java并发编程实例:深入理解JMM

    指令重排序在单线程是没有问题的,不会影响执行结果,而且还提高了性能。但是在多线程的环境下就不能保证一定不会影响执行结果了。

    所以在多线程环境下,就需要禁止指令重排序。

    volatile关键字禁止指令重排序有两层意思:

    • 当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时,在其前面的操作的更改肯定全部已经进行,且结果已经对后面的操作可见,在其后面的操作肯定还没有进行。

    • 在进行指令优化时,不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行,也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

    下面举个例子:

    private static int a;//非volatile修饰变量
    private static int b;//非volatile修饰变量
    private static volatile int k;//volatile修饰变量
    private void hello() {
    a = 1; //语句1
    b = 2; //语句2
    k = 3; //语句3
    a = 4; //语句4
    b = 5; //语句5
    //...
    }

    变量a,b是非volatile修饰的变量,k则使用volatile修饰。所以语句3不能放在语句1、2前,也不能放在语句4、5后。但是语句1、2的顺序是不能保证的,同理,语句4、5也不能保证顺序。

    并且,执行到语句3的时候,语句1,2是肯定执行完毕的,而且语句1,2的执行结果对于语句3,4,5是可见的。

    volatile禁止指令重排序的原理

    首先要讲一下内存屏障,内存屏障可以分为以下几类:

    • LoadLoad 屏障:对于这样的语句Load1,LoadLoad,Load2。在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前,保证Load1要读取的数据被读取完毕。

    • StoreStore屏障:对于这样的语句Store1, StoreStore, Store2,在Store2及后续写入操作执行前,保证Store1的写入操作对其它处理器可见。

    • LoadStore 屏障:对于这样的语句Load1, LoadStore,Store2,在Store2及后续写入操作被刷出前,保证Load1要读取的数据被读取完毕。

    • StoreLoad 屏障:对于这样的语句Store1, StoreLoad,Load2,在Load2及后续所有读取操作执行前,保证Store1的写入对所有处理器可见。

    在每个volatile读操作后插入LoadLoad屏障,在读操作后插入LoadStore屏障。

    Java并发编程实例:深入理解JMM

    在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障,后面插入一个SotreLoad屏障。

    Java并发编程实例:深入理解JMM

    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    编程开发 Java
    相关文章 更多
    精品专题 更多
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    macOS软件

    正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

    IOS软件

    正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

    AI

    正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

    Mac软件 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    Aperty macOS版
    Aperty macOS版

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    立刻MV 网页版
    立刻MV 网页版

    立刻MV 面向音乐人、内容创作者和品牌团队,帮助用户低成本完成歌曲 MV、歌词视频、AI 分镜、图生视频与最终合成。

    蛙蛙写作 网页版
    蛙蛙写作 网页版

    蛙蛙写作 AI 创作工具,覆盖小说、剧本、文案,一键生成文稿,打通文字转视频全流程,高效解决创作难题。

    超级简历WonderCV 网页版
    超级简历WonderCV 网页版

    超级简历WonderCV是面向应届生和AI小白的智能求职平台,覆盖简历、面试与职业规划。

    音述AI 网页版
    音述AI 网页版

    音述AI,是一个以“用声音述说故事”为核心的 AI 音乐创作与声音分享社区。

    AionClaw macOS版
    AionClaw macOS版

    AionClaw 是可在桌面端运行的任务型 AI 助手,通过数字专家与技能市场组合办公、创作、数据和开发能力。

    Loomy macOS版
    Loomy macOS版

    Loomy 是科大讯飞推出的桌面 AI 助手,可通过对话、任务与工作目录协助处理办公、内容创作和资料整理。

    AirBuddy 3 macOS版
    AirBuddy 3 macOS版

    AirBuddy 3 是面向 macOS 的蓝牙外设增强工具,可集中查看 AirPods、Beats 与苹果设备电量,提供快速连接、播放控制、电量提醒、桌面小组件和多台 Mac 外设接力等功能。

    AirServer macOS版
    AirServer macOS版

    AirServer macOS版可把 Mac 转换为无线投屏接收端,通过 AirPlay 或 Google Cast 接收手机、平板和电脑画面,并支持多设备同时连接、高清镜像及会话录制,适合家庭娱乐、课堂教学、会议演示和应用展示。

    AnyDesk macOS版
    AnyDesk macOS版

    AnyDesk macOS版是一款适用于远程办公、设备维护和客户支持的远程桌面工具,可连接并操作异地计算机,支持文件传输、无人值守访问、会话权限控制及跨平台协作。

    WINDOWS 更多
    讯飞智作 网页版
    讯飞智作 网页版

    讯飞智作是一款基于语音合成技术、虚拟人驱动技术与数字人形象声音构建能力的 AI 数字人音视频创作平台。

    火山引擎 网页版
    火山引擎 网页版

    火山引擎是字节跳动旗下企业级云与AI服务平台。聚焦大模型核心能力,依托字节自研豆包多模态大模型,凭借火山方舟一站式平台,提供模型精调、推理部署、智能应用搭建等全链路服务,结合高性能AI算力,助力各行业快速落地大模型数字化与智能化应用。

    PixTV 网页版
    PixTV 网页版

    PixTV 是一款在浏览器中使用的 AI 视觉内容创作平台,提供图片、视频、音频、文字生成、AI 分镜、局部重绘、提示词反推和无限画布等工具,适合短剧、漫剧、广告及社交媒体内容制作。

    讯飞绘文 网页版
    讯飞绘文 网页版

    讯飞绘文网页版是科大讯飞推出的AI图文创作与内容运营工具,覆盖热点选题、文章生成、稿件校对、智能配图、排版发布和数据复盘等环节,适合自媒体创作者及内容团队在线使用。

    Maya(Autodesk Maya) Windows版
    Maya(Autodesk Maya) Windows版

    Autodesk Maya 是面向影视、电视、动画和游戏行业的专业三维制作软件,集多边形与 NURBS 建模、角色绑定、关键帧和动作捕捉动画、Bifrost 特效模拟、材质开发及 Arnold 渲染于一体,

    Aperty Windows版
    Aperty Windows版

    Aperty 是 Skylum 推出的 AI 人像修图软件,支持自然肤质修饰、瑕疵处理、面部与身体调整、预设及批量同步。

    立刻MV 网页版
    立刻MV 网页版

    立刻MV 面向音乐人、内容创作者和品牌团队,帮助用户低成本完成歌曲 MV、歌词视频、AI 分镜、图生视频与最终合成。

    蛙蛙写作 网页版
    蛙蛙写作 网页版

    蛙蛙写作 AI 创作工具,覆盖小说、剧本、文案,一键生成文稿,打通文字转视频全流程,高效解决创作难题。

    超级简历WonderCV 网页版
    超级简历WonderCV 网页版

    超级简历WonderCV是面向应届生和AI小白的智能求职平台,覆盖简历、面试与职业规划。

    音述AI 网页版
    音述AI 网页版

    音述AI,是一个以“用声音述说故事”为核心的 AI 音乐创作与声音分享社区。

    AionClaw Windows版
    AionClaw Windows版

    AionClaw 是可在桌面端运行的任务型 AI 助手,通过数字专家与技能市场组合办公、创作、数据和开发能力。

    Loomy Windows版
    Loomy Windows版

    Loomy 是科大讯飞推出的桌面 AI 助手,可通过对话、任务与工作目录协助处理办公、内容创作和资料整理。