JavaMemoryModelJava
内存模型;就是一个理论!与线程安全息息相关~!
八大操作:
内存交互操作有8种,虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的,不可再分的(对于double和long类型的变量来说,load、store、read和write操作在某些平台上允许例外)
- lock (锁定):作用于主内存的变量,把一个变量标识为线程独占状态
- 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
- read(读取):作用于主内存变量,它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用
- load (载入):作用于工作内存的变量,它把read操作从主存中变量放入工作内存中
- use (使用):作用于工作内存中的变量,它把工作内存中的变量传输给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值,就会使用到这个指令
- assign(赋值):作用于工作内存中的变量,它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
- *store (存储):作用于主内存中的变量,它把一个工作内存中的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
JMM对这八种指令的使用,制定了如下规则:
- 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load,使用了store必须write
- 不允许线程丢弃他最近的assign操作,即工作变量的数据改变了之后,必须告知主存 (可见)
- 不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存
- 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。就是怼变量实施use、store操作之前,必须经过assign和load操作
- 一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后,必须执行相同次数的unlock才能解锁
- 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
- 对一个变量进行unlock操作之前,必须把此变量同步回主内存
Volatile 关键字
1、保证可见性 (JMM)
package jmm;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class demo1 {
// private static int num = 0;—>导致主线程修改后A 线程并没有感知到num的变化 从而不会退出循环
private volatile static int num = 0;// 加了volition 关键字 保证了对象的可见性
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(()->{
while (num==0){ // 没有加 volatile 的时候,这个对象不可见
}
},("A")).start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
num = 1; // 虽然main线程修改了这个值,但是上面的线程并不知道!
System.out.println("修改后 "+num);
}
}
2、不保证原子性 (核心难点:原子类)
package jmm;
public class demo2 {
private volatile static int num = 0;
//不加synchronized 时不能保证其原子性
// public static void add(){
// num++;
// }
public synchronized static void add(){
num++;
}
public static void main(String[] args) {
// 期望 num 最终是 2 万
for (int i = 1; i <=20 ; i++) {
new Thread(()->{
for (int j = 1; j <= 1000; j++) {
add();
}
},String.valueOf(i)).start();
}
// 判断活着的线程
while (Thread.activeCount()>2){ // mian gc
Thread.yield();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + num);
}
}
jmm底层逻辑
扩展
那么,请你说说,如果不用 synchronized 和 lock ,如何解决这个问题?
这个时候人家问的是AtomicInteger
package jmm;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class demo3 {
// int 不是原子性的
// AtomicInteger底层用的是 volatile 关键字
private static AtomicInteger num = new AtomicInteger();
// synchronized
public static void add(){
//num++; // 不是一个原子性操作
num.getAndIncrement(); // num++
// Unsafe 类:
// Java不能直接操作内存! native c++=> 操作内存
// Unsafe 后门,可以通过它直接操作内存!
}
public static void main(String[] args) {
// 期望 num 最终是 2 万
for (int i = 1; i <=20 ; i++) {
new Thread(()->{
for (int j = 1; j <= 1000; j++) {
add();
}
},String.valueOf(i)).start();
}
// 判断活着的线程
while (Thread.activeCount()>2){ // mian gc
Thread.yield();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + num);
}
}
AtomicInteger 底层实现用了volatile 关键字和Unsafe类直接操作内存
AtomicInteger 扩展到cas(比较并交换)
package jmm;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class casDemo {
public static void main(String[] args) {
// AtomicInteger 默认为 0
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
// compareAndSet CAS 比较并交换
// public final boolean compareAndSet(int expect, int update)
// 如果这个值是期望的值,那么则更新为指定的值
System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 20));
System.out.println(atomicInteger.get());
// 如果这个值是期望的值,那么则更新为指定的值
System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(20, 6));
System.out.println(atomicInteger.get());
}
}
getAndIncrement
实现了 int ++的操作!
getAndIncrement() ;
// unsafe可以直接操作内存
public final int getAndIncrement() {
// this 调用的对象
// valueOffset 当前这个对象的值的内存地址偏移值
// 1
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do { // 自旋锁(就是一直判断!)
// var5 = 获得当前对象的内存地址中的值!
var5 = this.getIntVolatile(this, valueOffset);
// compareAndSwapInt 比较并交换
// 比较当前的值 var1 对象的var2地址中的值是不是 var5,如果是则更新为 var5 + 1
// 如果是期望的值,就交换,否则就不交换!
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
CAS缺点:
1、循环开销很大!
2、内存操作,每次只能保证一个共享变量的原子性!
3、出现ABA 问题?
3.禁止指令重排 (核心难点:说出单例模式。说出CAS。说出CPU原语)
- 单例模式:懒汉式 饿汉式(设计模式中)
- CAS:比较并交换
- CPU原语:原语,一般是指由若干条指令组成的程序段,用来实现某个特定功能,在执行过程中不可被中断。
原语是操作系统核心(不是由进程,而是由一组程序模块组成)的一个组成部分,并且常驻内存,通常在管态下执行。原语一旦开始执行,就要连续执行完,不允许中断
指令重排:就是你的写程序不一定是按照你的程序跑的?
源代码->编译器(优化重排)->指令并行重排-> 内存系统的重排-> 最终执行的!
单线程一定安全!(但是,也不能避免指令重排!)
处理器在进行重排的时候会考虑指令之间的依赖性!
理解多线程下的指令重排问题:
int x,y,a,b = 0;
线程1 线程2
x = a; y = b;
b = 1; a = 2;
理想的结果: x=0 y = 0
指令重排:
线程1 线程2
b = 1; a = 2;
x = a; y = b;
重排后的结果: x=2 y = 1
votatile 可以禁止指令重排!
内存屏障(Memory Barrier):CPU的指令;两个作用:
1、保证特定的执行顺序!
2、保证某些变量的内存可见性 (votatile就是用它这个特性来实现的)
如图:
请你谈谈指令重排的最经典的应用!DCL单例模式
推荐一篇分析DCL单例模式的博客
ABA 问题
原子类来解决(通过原子引用)
通过增加一个版本号来解决,和乐观锁一模一样!
package jmm;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
/**
* 经典aba 问题
*/
public class abaDemo {
// version = 1
static AtomicStampedReference<Integer> atomicReference = new AtomicStampedReference<>(100,1);
public static void main(String[] args) {
// 其他人员 小花,需要每次执行完毕 + 1
new Thread(()->{
int stamp = atomicReference.getStamp();// 获得版本号
System.out.println("T1 stamp01=>"+stamp);
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
atomicReference.compareAndSet(100,101,
atomicReference.getStamp(),atomicReference.getStamp()+1);
System.out.println("T1 stamp02=>"+atomicReference.getStamp());
atomicReference.compareAndSet(101,100,
atomicReference.getStamp(),atomicReference.getStamp()+1);
System.out.println("T1 stamp03=>"+atomicReference.getStamp());
},"T1").start();
// 乐观的小明
new Thread(()->{
int stamp = atomicReference.getStamp();// 获得版本号
System.out.println("T2 stamp01=>"+stamp);
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
boolean result = atomicReference.compareAndSet(100, 1, stamp, stamp + 1);
System.out.println("T2 是否修改成功:"+ result);
System.out.println("T2 stamp02=>"+atomicReference.getStamp());
System.out.println("T2 当前获取得最新的值=>"+atomicReference.getReference());
},"T2").start();
}
}
探究锁
- 自旋锁
上面列举了unsafe 类的源码 getAndAddInt
自己写一个自旋锁:
Lock类:
package jmm;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class Lock {
// 锁线程
// AtomicInteger 默认 是 0
// AtomicReference 默认是 null
AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();
public void lock(){
Thread thread = Thread.currentThread();
System.out.println(thread.getName()+"===> lock");
// 上锁 自旋
while (!atomicReference.compareAndSet(null,thread)){
}
}
// 解锁
public void unlock() {
Thread thread = Thread.currentThread();
atomicReference.compareAndSet(thread, null);
System.out.println(thread.getName() + "===> unlock");
}
}
测试类:
package jmm;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
*T1===> lock
*T2===> lock
*T1===> unlock
*T2===> unlock
*/
public class lockTest {
public static void main(String[] args) {
Lock lock = new Lock();
// 1 一定先拿到锁
new Thread(()->{
lock.lock();
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
lock.unlock();
},"T1").start();
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 2
new Thread(()->{
lock.lock();
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
lock.unlock();
},"T2").start();
}
}
- 死锁,死锁的排查
什么是死锁?
死锁是指两个或两个以上的线程在执行过程中,由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象。
示例代码:
package jmm;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class MyLockThread implements Runnable {
private String lockA;
private String lockB;
public MyLockThread(String lockA, String lockB) {
this.lockA = lockA;
this.lockB = lockB;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lockA){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"lock:"+lockA+"=>get:"+lockB);
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (lockB){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"lock:"+lockB+"=>get:"+lockA);
}
}
}
}
测试代码:
package jmm;
// 面对死锁你该怎么办?
// 日志
// 查看堆栈信息! jmm 的知识
// 1、获取当前运行的java进程号 jps -l
// 2、查看信息 jstack 进程号
// 3、jconsole 查看对应的信息!(可视化工具!)
// ......
public class DeadLockTest {
public static void main(String[] args) {
String lockA = "lockA";
String lockB = "lockB";
new Thread(new MyLockThread(lockA,lockB),"T1").start();
new Thread(new MyLockThread(lockB,lockA),"T2").start();
}
}
小结:jmm是jvm的一种规范,定义了jvm的内存模型。
它屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异,不像c那样直接访问硬件内存,相对安全很多。
它的主要目的是解决由于多线程通过共享内存进行通信时,存在的本地内存数据不一致、
编译器会对代码指令重排序、处理器会对代码乱序执行等带来的问题。jmm可以保证并发编程场景中的原子性、可见性和有序性。