一、定义
很多人分不清【java 内存结构】与【java 内存模型】,【java 内存结构】指的是jvm的内存分区,例如:堆、程序计数器、虚拟机栈等这些,【java 内存模型】是 Java Memory Model(JMM)的意思。
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。
二、原子性
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,结果不一定是0。
例如: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:
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
而对应 i-- 也是类似:
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:
如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行(不会交错)没有问题:
// 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(为什么会交错?思考一下): 出现负数的情况:
// 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:
// 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
解决办法就是加锁,例如:synchronized
三、可见性
先来看一个现象,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:
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
}
为什么呢?分析一下:
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. 1 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
解决办法:volatile(易变关键字)它可以用来修饰成员变量和静态成员变量,他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,
但是一个线程对 volatile 变量的修改对另一 个线程可见, 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。
四、有序性
先看一段代码
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?
如果经过大量测试的话,会发现其中一种结果有可能为0,出现这种现象原因是指令重排,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。
JVM 会在不影响正确性的前提下,可以调整语句的执行顺序,例如著名的 double-checked locking 模式实现单例
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; }
}
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
解决办法: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
五、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
1、线程解锁 m 之前对变量的写,对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见
static int x; static Object m = new Object(); new Thread(()->{ synchronized(m) { x = 10; } },"t1").start(); new Thread(()->{ synchronized(m) { System.out.println(x); } },"t2").start();
2、线程对 volatile 变量的写,对接下来其它线程对该变量的读可见
volatile static int x; new Thread(()->{ x = 10; },"t1").start(); new Thread(()->{ System.out.println(x); },"t2").start();
3、线程 start 前对变量的写,对该线程开始后对该变量的读可见
static int x; x = 10; new Thread(()->{ System.out.println(x); },"t2").start();
4、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)
static int x; Thread t1 = new Thread(()->{ x = 10; },"t1"); t1.start(); t1.join(); System.out.println(x);
5、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)
static int x; public static void main(String[] args) { Thread t2 = new Thread(()->{ while(true) { if(Thread.currentThread().isInterrupted()) { System.out.println(x); break; } } },"t2"); t2.start(); new Thread(()->{ try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } x = 10; t2.interrupt(); },"t1").start(); while(!t2.isInterrupted()) { Thread.yield(); } System.out.println(x); }
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
注意:变量都是指成员变量或静态成员变量