如何解讀Java多線程與并發(fā)模型中的共享對象

本篇文章為大家展示了如何解讀Java多線程與并發(fā)模型中的共享對象，內(nèi)容簡明扼要并且容易理解，絕對能使你眼前一亮，通過這篇文章的詳細(xì)介紹希望你能有所收獲。

創(chuàng)新互聯(lián)建站專業(yè)為企業(yè)提供潮南網(wǎng)站建設(shè)、潮南做網(wǎng)站、潮南網(wǎng)站設(shè)計、潮南網(wǎng)站制作等企業(yè)網(wǎng)站建設(shè)、網(wǎng)頁設(shè)計與制作、潮南企業(yè)網(wǎng)站模板建站服務(wù)，十年潮南做網(wǎng)站經(jīng)驗，不只是建網(wǎng)站，更提供有價值的思路和整體網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

以下內(nèi)容如無特殊說明均指代Java環(huán)境。

共享對象

使用Java編寫線程安全的程序關(guān)鍵在于正確的使用共享對象，以及安全的對其進(jìn)行訪問管理。在第一章我們談到Java的內(nèi)置鎖可以保障線程安全，對于其他的應(yīng)用來說并發(fā)的安全性是在內(nèi)置鎖這個“黑盒子”內(nèi)保障了線程變量使用的邊界。談到線程的邊界問題，隨之而來的是Java內(nèi)存模型另外的一個重要的含義，可見性。Java對可見性提供的原生支持是volatile關(guān)鍵字。

volatile關(guān)鍵字

volatile 變量具備兩種特性，其一是保證該變量對所有線程可見，這里的可見性指的是當(dāng)一個線程修改了變量的值，那么新的值對于其他線程是可以立即獲取的。其二 volatile 禁止了指令重排。

雖然 volatile 變量具有可見性和禁止指令重排序，但是并不能說 volatile 變量能確保并發(fā)安全。

public class VolatileTest {

public static volatile int a = 0;

public static final int THREAD_COUNT = 20;

public static void increase() {a++;

}

public static void main(String[] args) 

throws InterruptedException

 {

Thread[] threads = new Thread[THREAD_COUNT];

for (int i = 0;

 i < THREAD_COUNT; i++)

 {

threads[i] = new Thread(new Runnable() 

{

public void run() {for (int i = 0;

 i < 1000;

 i++) {increase();

}

}

}

);

threads[i].start();

}

while (Thread.activeCount() > 2)

 {

Thread.yield();

}

System.out.println(a);

}

}

按照我們的預(yù)期，它應(yīng)該返回 20000 ，但是很可惜，該程序的返回結(jié)果幾乎每次都不一樣。

問題主要出在 a++ 上，復(fù)合操作并不具備原子性， 雖然這里利用 volatile 定義了 a ，但是在做 a++ 時， 先獲取到最新的 a 值，比如這時候最新的可能是 50，然后再讓 a 增加，但是在增加的過程中，其他線程很可能已經(jīng)將 a 的值改變了，或許已經(jīng)成為 52、53 ，但是該線程作自增時，還是使用的舊值，所以會出現(xiàn)結(jié)果往往小于預(yù)期的 2000。如果要解決這個問題，可以對 increase() 方法加鎖。

volatile 適用場景

volatile 適用于程序運算結(jié)果不依賴于變量的當(dāng)前值，也相當(dāng)于說，上述程序的 a 不要自增，或者說僅僅是賦值運算，例如 boolean flag = true 這樣的操作。

volatile boolean shutDown =false;

public voidshutDown()

 {

shutDown =true;

}

public voiddoWork()

 {while(!shutDown)

 {

System.out.println("Do work "+ Thread.currentThread().getId());

}

}

代碼2.1：變量的可見性問題

在代碼2.1中，可以看到按照正常的邏輯應(yīng)該打印10之后線程停止，但是實際的情況可能是打印出0或者程序永遠(yuǎn)不會被終止掉。其原因是沒有使用恰當(dāng)?shù)耐綑C制以保障線程的寫入操作對所有線程都是可見的。

我們一般將volatile理解為synchronized的輕量級實現(xiàn)，在多核處理器中可以保障共享變量的“可見性”，但是不能保障原子性。關(guān)于原子性問題在該章節(jié)的程序變量規(guī)則會加以說明，下面我們先看下Java的內(nèi)存模型實現(xiàn)以了解JVM和計算機硬件是如何協(xié)調(diào)共享變量的以及volatile變量的可見性。

Java內(nèi)存模型

我們都知道現(xiàn)代計算機都是馮諾依曼結(jié)構(gòu)的，所有的代碼都是順序執(zhí)行的。如果計算機需要在CPU中運算某個指令，勢必就會涉及對數(shù)據(jù)的讀取和寫入操作。由于程序數(shù)據(jù)的大部分內(nèi)容都是存儲在主內(nèi)存（RAM）中的，在這當(dāng)中就存在著一個讀取速度的問題，CPU很快而主內(nèi)存相對來說（相對CPU）就會慢上很多，為了解決這個速度階梯問題，各個CPU廠商都在CPU里面引入了高速緩存來優(yōu)化主內(nèi)存和CPU的數(shù)據(jù)交互。針對上面的技術(shù)我特意整理了一下，有很多技術(shù)不是靠幾句話能講清楚，所以干脆找朋友錄制了一些視頻，很多問題其實答案很簡單，但是背后的思考和邏輯不簡單，要做到知其然還要知其所以然。如果想學(xué)習(xí)Java工程化、高性能及分布式、深入淺出。微服務(wù)、Spring，MyBatis，Netty源碼分析的朋友可以加我的Java進(jìn)階群：591240817，群里有大牛直播講解技術(shù)，以及Java大型互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的視頻免費分享

此時當(dāng)CPU需要從主內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)時，會拷貝一份到高速緩存中，CPU計算時就可以直接在高速緩存中進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫入，提高吞吐量。當(dāng)數(shù)據(jù)運行完成后，再將高速緩存的內(nèi)容刷新到主內(nèi)存中，此時其他CPU看到的才是執(zhí)行之后的結(jié)果，但在這之間存在著時間差。

看這個例子：

int counter = 0; counter = counter + 1;復(fù)制代碼

代碼2.2：自增不一致問題

代碼2.2在運行時，CPU會從主內(nèi)存中讀取counter的值，復(fù)制一份到當(dāng)前CPU核心的高速緩存中，在CPU執(zhí)行完成加1的指令之后，將結(jié)果1寫入高速緩存中，最后將高速緩存刷新到主內(nèi)存中。這個例子代碼在單線程的程序中將正確的運行下去。

但我們試想這樣一種情況，現(xiàn)在有兩個線程共同運行該段代碼，初始化時兩個線程分別從主內(nèi)存中讀取了counter的值0到各自的高速緩存中，線程1在CPU1中運算完成后寫入高速緩存Cache1，線程2在CPU2中運算完成后寫入高速緩存Cache2，此時counter的值在兩個CPU的高速緩存中的值都是1。

此時CPU1將值刷新到主內(nèi)存中，counter的值為1，之后CPU2將counter的值也刷新到主內(nèi)存，counter的值覆蓋為1，最終的結(jié)果計算counter為1（正確的兩次計算結(jié)果相加應(yīng)為2）。這就是緩存不一致性問題。這會在多線程訪問共享變量時出現(xiàn)。

解決緩存不一致問題的方案：

通過總線鎖LOCK#方式。

通過緩存一致性協(xié)議。

圖2.1 ：緩存不一致問題

圖2.1中提到的兩種內(nèi)存一致性協(xié)議都是從計算機硬件層面上提供的保障。CPU一般是通過在總線上增加LOCK#鎖的方式，鎖住對內(nèi)存的訪問來達(dá)到目的，也就是阻塞其他CPU對內(nèi)存的訪問，從而使只有一個CPU能訪問該主內(nèi)存。因此需要用總線進(jìn)行內(nèi)存鎖定，可以分析得到此種做法對CPU的吞吐率造成的損害很嚴(yán)重，效率低下。

隨著技術(shù)升級帶來了緩存一致性協(xié)議，市場占有率較大的Intel的CPU使用的是MESI協(xié)議，該協(xié)議可以保障各個高速緩存使用的共享變量的副本是一致的。其實現(xiàn)的核心思想是：當(dāng)在多核心CPU中訪問的變量是共享變量時，某個線程在CPU中修改共享變量數(shù)據(jù)時，會通知其他也存儲了該變量副本的CPU將緩存置為無效狀態(tài)，因此其他CPU讀取該高速緩存中的變量時，發(fā)現(xiàn)該共享變量副本為無效狀態(tài)，會從主內(nèi)存中重新加載。但當(dāng)緩存一致性協(xié)議無法發(fā)揮作用時，CPU還是會降級使用總線鎖的方式進(jìn)行鎖定處理。

一個小插曲：為什么volatile無法保障的原子性

我們看下圖2.2，CPU在主內(nèi)存中讀取一個變量之后，拷貝副本到高速緩存，CPU在執(zhí)行期間雖然識別了變量的“易變性”，但是只能保障最后一步store操作的原子性，在load，use期間并未實現(xiàn)其原子性操作。

圖2.2：數(shù)據(jù)加載和內(nèi)存屏障

JVM為了使我們的代碼得到最優(yōu)的執(zhí)行體驗，在進(jìn)行自我優(yōu)化時，并不保障代碼的先后執(zhí)行順序（滿足Happen-Before規(guī)則的除外），這就是“指令重排”，而上面提到的store操作保障了原子性，JVM是如何實現(xiàn)的呢？其原因是這里存在一個“內(nèi)存屏障”的指令（以后我們會談到整個內(nèi)容），這個是CPU支持的一個指令，該指令只能保障store時的原子性，但是不能保障整個操作的原子性。

從整個小插曲中，我們看到了volatile雖然有可見性的語義，但是并不能真正的保證線程安全。如果要保證并發(fā)線程的安全訪問，需要符合并發(fā)程序變量的訪問規(guī)則。

并發(fā)程序變量的訪問規(guī)則

1. 原子性

程序的原子性和數(shù)據(jù)庫事務(wù)的原子性有著同樣的意義，可以保障一次操作要么全部執(zhí)行成功，要不全部都不執(zhí)行。

2. 可見性

可見性是微妙的，因為最終的結(jié)果總是和我們的直覺大相徑庭，當(dāng)多個線程共同修改一個共享變量的值時，由于存在高速緩存中的變量副本操作，不能及時將數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存，導(dǎo)致當(dāng)前線程在CP中的操作結(jié)果對其他CPU是不可見狀態(tài)。

3. 有序性

有序性通俗的理解就是程序在JVM中是按照順序執(zhí)行的，但是前面已經(jīng)提到了JVM為了優(yōu)化代碼的執(zhí)行速度，會進(jìn)行“指令重排”。在單線程中“指令重排”并不會帶來安全問題，但在并發(fā)程序中，由于程序的順序不能保障，運行過程中可能會出現(xiàn)不安全的線程訪問問題。

綜上，要想在并發(fā)編程環(huán)境中安全的運行程序，就必須滿足原子性、可見性和有序性。只要以上任何一點沒有保障，那程序運行就可能出現(xiàn)不可預(yù)知的錯誤。最后我們介紹一下Java并發(fā)的“殺手锏”，Happens-Before法則，符合該法則的情況下可以保障并發(fā)環(huán)境下變量的訪問規(guī)則。

happens-before語義

Java內(nèi)存模型使用了各種操作來定義的，包括對變量的讀寫，監(jiān)視器的獲取釋放等，JMM中使用了

happens-before

語義闡述了操作之間的內(nèi)存可見性。如果想要保證執(zhí)行操作B的線程看到操作A的結(jié)構(gòu)（無論AB是否在同一線程），那么A，B必須滿足

happens-before

關(guān)系。如果兩個操作之間缺乏

happens-before

Happens-Before法則：

程序次序法則：線程中的每個動作A都Happens-Before于該線程中的每一個動作B，在程序中，所有的動作B都出現(xiàn)在動作A之后。

Lock法則：對于一個Lock的解鎖操作總是Happens-Before于每一個后續(xù)對該Lock的加鎖操作。

volatile變量法則：對于volatile變量的寫入操作Happens-Before于后續(xù)對同一個變量的讀操作。

線程啟動法則：在一個線程里，對Thread.start()函數(shù)的調(diào)用會Happens-Before于每一個啟動線程中的動作。

線程終結(jié)法則：線程中的任何動作都Happens-Before于其他線程檢測到這個線程已經(jīng)終結(jié)或者從Thread.join()函數(shù)調(diào)用中成功返回或者Thread.isAlive()函數(shù)返回false。

中斷法則：一個線程調(diào)用另一個線程的interrupt總是Happens-Before于被中斷的線程發(fā)現(xiàn)中斷。

終結(jié)法則：一個對象的構(gòu)造函數(shù)的結(jié)束總是Happens-Before于這個對象的finalizer（Java沒有直接的類似C的析構(gòu)函數(shù)）的開始。

傳遞性法則：如果A事件Happens-Before于B事件，并且B事件Happens-Before于C事件，那么A事件Happens-Before于C事件。

當(dāng)一個變量在多線程競爭中被讀取和存儲，如果并未按照Happens-Before的法則，那么他就會存在數(shù)據(jù)競爭關(guān)系。

總結(jié)

給大家關(guān)于Java的共享變量的內(nèi)容就介紹到這里，現(xiàn)在你已經(jīng)明白Java的volatile關(guān)鍵字的含義了，了解了為什么volatile不能保障原子性的原因了，了解了Happens-Before規(guī)則能讓我們的Java程序運行的更加安全。

在這里給大家提供一個學(xué)習(xí)交流的平臺，java架構(gòu)師群1017599436

具有1-5工作經(jīng)驗的，面對目前流行的技術(shù)不知從何下手，需要突破技術(shù)瓶頸的可以加群。

在公司待久了，過得很安逸，但跳槽時面試碰壁。需要在短時間內(nèi)進(jìn)修、跳槽拿高薪的可以加群。

如果沒有工作經(jīng)驗，但基礎(chǔ)非常扎實，對java工作機制，常用設(shè)計思想，常用java開發(fā)框架掌握熟練的可以加群。

通過這節(jié)內(nèi)容希望可以幫助你更深入的了解Java的并發(fā)概念中的內(nèi)置鎖和共享變量。Java的并發(fā)內(nèi)容還有很多，例如在某些場景下比synchronized效率要更高的Lock，阻塞隊列，同步器等。

上述內(nèi)容就是如何解讀Java多線程與并發(fā)模型中的共享對象，你們學(xué)到知識或技能了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或者豐富自己的知識儲備，歡迎關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)行業(yè)資訊頻道。

當(dāng)前文章：如何解讀Java多線程與并發(fā)模型中的共享對象
文章地址：http://bm7419.com/article24/jcipje.html

成都網(wǎng)站建設(shè)公司_創(chuàng)新互聯(lián)，為您提供、網(wǎng)站策劃、ChatGPT、手機網(wǎng)站建設(shè)、自適應(yīng)網(wǎng)站、云服務(wù)器

廣告

聲明：本網(wǎng)站發(fā)布的內(nèi)容（圖片、視頻和文字）以用戶投稿、用戶轉(zhuǎn)載內(nèi)容為主，如果涉及侵權(quán)請盡快告知，我們將會在第一時間刪除。文章觀點不代表本網(wǎng)站立場，如需處理請聯(lián)系客服。電話：028-86922220；郵箱：631063699@qq.com。內(nèi)容未經(jīng)允許不得轉(zhuǎn)載，或轉(zhuǎn)載時需注明來源： 創(chuàng)新互聯(lián)