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java内在模型与多线程关系

2015-07-28 21:40:02阅读(337)

java内在模型与多线程关系,有需要的朋友可以参考下。


浅谈java内存模型

不同的平台,内存模型是不一样的,但是jvm的内存模型规范是统一的。其实java的多线程并发问题最终都会反映在java的内存模型上,所谓线程安全无非是要控制多个线程对某个资源的有序访问或修改。总结java的内存模型,要解决两个主要的问题:可见性和有序性。我们都知道计算机有高速缓存的存在,处理器并不是每次处理数据都是取内存的。JVM定义了自己的内存模型,屏蔽了底层平台内存管理细节,对于java开发人员,要清楚在jvm内存模型的基础上,如果解决多线程的可见性和有序性。

那么,何谓可见性?多个线程之间是不能互相传递数据通信的,它们之间的沟通只能通过共享变量来进行。Java内存模型(JMM)规定了jvm有主内存,主内存是多个线程共享的。当new一个对象的时候,也是被分配在主内存中,每个线程都有自己的工作内存,工作内存存储了主存的某些对象的副本,当然线程的工作内存大小是有限制的。当线程操作某个对象时,执行顺序如下:

(1)从主存复制变量到当前工作内存(readandload)

(2)执行代码,改变共享变量值(useandassign)

(3)用工作内存数据刷新主存相关内容(storeandwrite)

JVM规范定义了线程对主存的操作指令:readloaduseassignstorewrite。当一个共享变量在多个线程的工作内存中都有副本时,如果一个线程修改了这个共享变量,那么其他线程应该能够看到这个被修改后的值,这就是多线程的可见性问题。

那么,什么是有序性呢?线程在引用变量时不能直接从主内存中引用,如果线程工作内存中没有该变量,则会从主内存中拷贝一个副本到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该副本。当同一线程再度引用该字段时,有可能重新从主存中获取变量副本(read-load-use),也有可能直接引用原来的副本(use),也就是说read,load,use顺序可以由JVM实现系统决定。

线程不能直接为主存中中字段赋值,它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign),完成后这个变量副本会同步到主存储区(store-write),至于何时同步过去,根据JVM实现系统决定.有该字段,则会从主内存中将该字段赋值到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该变量副


本,当同一线程多次重复对字段赋值时,比如:

Java代码

1.for(inti=0;i<10;i++)

2.a++;

线程有可能只对工作内存中的副本进行赋值,只到最后一次赋值后才同步到主存储区,所以

assign,store,weite顺序可以由JVM实现系统决定。假设有一个共享变量x,线程a执行x=x+1。从上面的描述中可以知道x=x+1并不是一个原子操作,它的执行过程如下:

1从主存中读取变量x副本到工作内存

2x1

3x1后的值写回主

如果另外一个线程b执行x=x-1,执行过程如下:

1从主存中读取变量x副本到工作内存

2x1

3x1后的值写回主存

那么显然,最终的x的值是不可靠的。假设x现在为10,线程a1,线程b1,从表面上看,似乎最终x还是为10,但是多线程情况下会有这种情况发生:

1:线程a从主存读取x副本到工作内存,工作内存中x值为10

2:线程b从主存读取x副本到工作内存,工作内存中x值为10

3:线程a将工作内存中x1,工作内存中x值为11

4:线程ax提交主存中,主存中x11

5:线程b将工作内存中x值减1,工作内存中x值为9

6:线程bx提交到中主存中,主存中x9

同样,x有可能为11,如果x是一个银行账户,线程a存款,线程b扣款,显然这样是有严重问题

的,要解决这个问题,必须保证线程a和线程b是有序执行的,并且每个线程执行的加1或减1是一

个原子操作。看看下面代码:

Java代码

1.publicclassAccount{

2.

3.privateintbalance;

4.

5.publicAccount(intbalance){

6.this.balance=balance;

7.}

8.

9.publicintgetBalance(){

10.returnbalance;

11.}

12.

13.publicvoidadd(intnum){

14.balance=balance+num;

15.}

16.

17.publicvoidwithdraw(intnum){

18.balance=balance-num;

19.}

20.

21.publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{

22.Accountaccount=newAccount(1000);

23.Threada=newThread(newAddThread(account,20),"add");

24.Threadb=newThread(newWithdrawThread(account,20),"withdraw");

25.a.start();

26.b.start();

26.b.start();

27.a.join();

28.b.join();

29.System.out.println(account.getBalance());

30.}

31.

32.staticclassAddThreadimplementsRunnable{

33.Accountaccount;

34.intamount;

35.

36.publicAddThread(Accountaccount,intamount){

37.this.account=account;

38.this.amount=amount;

39.}

40.

41.publicvoidrun(){

42.for(inti=0;i<200000;i++){

43.account.add(amount);

44.}

45.}

46.}

47.

48.staticclassWithdrawThreadimplementsRunnable{

49.Accountaccount;

50.intamount;

51.

52.publicWithdrawThread(Accountaccount,intamount){

53.this.account=account;

54.this.amount=amount;

55.}

56.

57.publicvoidrun(){

58.for(inti=0;i<100000;i++){

59.account.withdraw(amount);

60.}

61.}

62.}

63.}


第一次执行结果为10200,第二次执行结果为1060,每次执行的结果都是不确定的,因为线程的执行顺序是不可预见的。这是java同步产生的根源,synchronized关键字保证了多个线程对于同步块是互斥的,synchronized作为一种同步手段,解决java多线程的执行有序性和内存可见性,而volatile关键字之解决多线程的内存可见性问题。后面将会详细介绍。


synchronized关键字

上面说了,javasynchronized关键字做为多线程并发环境的执行有序性的保证手段之一。当一段代码会修改共享变量,这一段代码成为互斥区或临界区,为了保证共享变量的正确性,synchronized标示了临界区。典型的用法如下:

Java代码

1.synchronized(){

2.临界区代码

3.}


为了保证银行账户的安全,可以操作账户的方法如下:

Java代码

1.publicsynchronizedvoidadd(intnum){

2.balance=balance+num;

3.}

4.publicsynchronizedvoidwithdraw(intnum){

5.balance=balance-num;

6.}


刚才不是说了synchronized的用法是这样的吗:

Java代码

1.synchronized(){

2.临界区代码

3.}


那么对于publicsynchronizedvoidadd(intnum)这种情况,意味着什么呢?其实这种情况,锁就是这个方法所在的对象。同理,如果方法是publicstaticsynchronizedvoidadd(intnum),那么锁就是这个方法所在的class

理论上,每个对象都可以做为锁,但一个对象做为锁时,应该被多个线程共享,这样才显得


有意义,在并发环境下,一个没有共享的对象作为锁是没有意义的。假如有这样的代码:Java代码

1.publicclassThreadTest{

2.publicvoidtest(){

3.Objectlock=newObject();

4.synchronized(lock){

5.//dosomething

6.}

7.}

8.}


lock变量作为一个锁存在根本没有意义,因为它根本不是共享对象,每个线程进来都会执行Objectlock=newObject();每个线程都有自己的lock,根本不存在锁竞争。

每个锁对象都有两个队列,一个是就绪队列,一个是阻塞队列,就绪队列存储了将要获得锁的线程,阻塞队列存储了被阻塞的线程,当一个被线程被唤醒(notify)后,才会进入到就绪队列,等待cpu的调度。当一开始线程a第一次执行account.add方法时,jvm会检查锁对象account的就绪队列是否已经有线程在等待,如果有则表明account的锁已经被占用了,由于是第一次运行,account的就绪队列为空,所以线程a获得了锁,执行account.add方法。如果恰好在这个时候,线程b要执行account.withdraw方法,因为线程a已经获得了锁还没有释放,所以线程b要进入account的就绪队列,等到得到锁后才可以执行。

一个线程执行临界区代码过程如下:

1获得同步锁

2清空工作内存

3从主存拷贝变量副本到工作内存

4对这些变量计算

5将变量从工作内存写回到主存

6释放锁

可见,synchronized既保证了多线程的并发有序性,又保证了多线程的内存可见性。


生产者/消费者模式

生产者/消费者模式其实是一种很经典的线程同步模型,很多时候,并不是光保证多个线程对某共享资源操作的互斥性就够了,往往多个线程之间都是有协作的。

假设有这样一种情况,有一个桌子,桌子上面有一个盘子,盘子里只能放一颗鸡蛋,A专门往盘子里放鸡蛋,如果盘子里有鸡蛋,则一直等到盘子里没鸡蛋,B专门从盘子里拿鸡蛋,如果盘子里没鸡蛋,则等待直到盘子里有鸡蛋。其实盘子就是一个互斥区,每次往盘子放鸡蛋应该都是互斥的,A的等待其实就是主动放弃锁,B等待时还要提醒A放鸡蛋。

如何让线程主动释放锁

很简单,调用锁的wait()方法就好。wait方法是从Object来的,所以任意对象都有这个方法。看这


个代码片段:

Java代码

1.Objectlock=newObject();//声明了一个对象作为锁

2.synchronized(lock){

3.balance=balance-num;

4.//这里放弃了同步锁,好不容易得到,又放弃了

5.lock.wait();

6.}


如果一个线程获得了锁lock,进入了同步块,执行lock.wait(),那么这个线程会进入到lock的阻塞队列。如果调用lock.notify()则会通知阻塞队列的某个线程进入就绪队列。

声明一个盘子,只能放一个鸡蛋


Java代码

1.importjava.util.ArrayList;

2.importjava.util.List;

3.

4.publicclassPlate{

5.

6.List<Object>eggs=newArrayList<Object>();

7.

8.publicsynchronizedObjectgetEgg(){

9.while(eggs.size()==0){

10.try{

11.wait();

12.}catch(InterruptedExceptione){

13.}

14.}

15.

16.Objectegg=eggs.get(0);

17.eggs.clear();//清空盘子

18.notify();//唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列

19.System.out.println("拿到鸡蛋");

20.returnegg;

21.}

22.

23.publicsynchronizedvoidputEgg(Objectegg){24.while(eggs.size()>0){

25.try{

26.wait();

27.}catch(InterruptedExceptione){

28.}

29.}

30.eggs.add(egg);//往盘子里放鸡蛋

31.notify();//唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列

32.System.out.println("放入鸡蛋");

33.}

34.

35.staticclassAddThreadextendsThread{

36.privatePlateplate;

37.privateObjectegg=newObject();

38.publicAddThread(Plateplate){

39.this.plate=plate;

40.}

41.

42.publicvoidrun(){

43.for(inti=0;i<5;i++){

44.plate.putEgg(egg);

45.}

46.}

47.}

48.

49.staticclassGetThreadextendsThread{

50.privatePlateplate;

51.publicGetThread(Plateplate){

52.this.plate=plate;

53.}

54.

55.publicvoidrun(){

56.for(inti=0;i<5;i++){

57.plate.getEgg();

58.}

59.}

60.}

61.

62.publicstaticvoidmain(Stringargs[]){

63.try{

64.Plateplate=newPlate();

65.Threadadd=newThread(newAddThread(plate));66.Threadget=newThread(newGetThread(plate));67.add.start();

68.get.start();

69.add.join();

70.get.join();

71.}catch(InterruptedExceptione){

72.e.printStackTrace();

73.}

74.System.out.println("测试结束");

75.}

76.}

执行结果:

Html代码

1.放入鸡蛋

2.拿到鸡蛋

3.放入鸡蛋

4.拿到鸡蛋

5.放入鸡蛋

6.拿到鸡蛋

7.放入鸡蛋

8.拿到鸡蛋

9.放入鸡蛋

10.拿到鸡蛋

11.测试结束

声明一个Plate对象为plate,被线程A和线程B共享,A专门放鸡蛋,B专门拿鸡蛋。假设1开始,A调用plate.putEgg方法,此时eggs.size()0,因此顺利将鸡蛋放到盘子,还执行了notify()方法,唤醒锁的阻塞队列的线程,此时阻塞队列还没有线程。

2又有一个A线程对象调用plate.putEgg方法,此时eggs.size()不为0,调用wait()方法,自己进入了锁对象的阻塞队列。

3此时,来了一个B线程对象,调用plate.getEgg方法,eggs.size()不为0,顺利的拿到了一个鸡

蛋,还执行了notify()方法,唤醒锁的阻塞队列的线程,此时阻塞队列有一个A线程对象,唤醒

后,它进入到就绪队列,就绪队列也就它一个,因此马上得到锁,开始往盘子里放鸡蛋,此时盘子是空的,因此放鸡蛋成功。

4假设接着来了线程A,就重复2;假设来料线程B,就重复3

整个过程都保证了放鸡蛋,拿鸡蛋,放鸡蛋,拿鸡蛋。

volatile关键字

volatilejava提供的一种同步手段,只不过它是轻量级的同步,为什么这么说,因为volatile只能保证多线程的内存可见性,不能保证多线程的执行有序性。而最彻底的同步要保证有序性和可见性,例如synchronized。任何被volatile修饰的变量,都不拷贝副本到工作内存,任何修改都及时写在主存。因此对于Valatile修饰的变量的修改,所有线程马上就能看到,但是volatile不能保

证对变量的修改是有序的。什么意思呢?假如有这样的代码:

Java代码

1.publicclassVolatileTest{

2.publicvolatileinta;

3.publicvoidadd(intcount){

4.a=a+count;

5.}

6.}

当一个VolatileTest对象被多个线程共享,a的值不一定是正确的,因为a=a+count包含了好几步操作,而此时多个线程的执行是无序的,因为没有任何机制来保证多个线程的执行有序性和原子性。volatile存在的意义是,任何线程对a的修改,都会马上被其他线程读取到,因为直接操作主存,没有线程对工作内存和主存的同步。所以,volatile的使用场景是有限的,在有限的一些情形下可以使用volatile变量替代锁。要使volatile变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:

1)对变量的写操作不依赖于当前值。

2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中


volatile只保证了可见性,所以Volatile适合直接赋值的场景,如

Java代码

1.publicclassVolatileTest{

2.publicvolatileinta;

3.publicvoidsetA(inta){

4.this.a=a;

5.}

6.}


在没有volatile声明时,多线程环境下,a的最终值不一定是正确的,因为this.a=a;涉及到给a赋值和将a同步回主存的步骤,这个顺序可能被打乱。如果用volatile声明了,读取主存副本到工作内存和同步a到主存的步骤,相当于是一个原子操作。所以简单来说,volatile适合这种场景:一个变量被多个线程共享,线程直接给这个变量赋值。这是一种很简单的同步场景,这时候使用volatile的开销将会非常小。


线程安全总结(二)

站内很多人都问我,所谓线程的工作内存到底是个什么东西?有的人认为是线程的栈,其实这种理解是不正确的。看看JLSjava语言规范)对线程工作内存的描述,线程的workingmemory只是cpu的寄存器和高速缓存的抽象描述。


可能很多人都觉得莫名其妙,说JVM的内存模型,怎么会扯到cpu上去呢?在此,我认为很有必要阐述下,免得很多人看得不明不白的。先抛开java虚拟机不谈,我们都知道,现在的计算机,cpu在计算的时候,并不总是从内存读取数据,它的数据读取顺序优先级是:寄存器-高速缓存-内存。线程耗费的是CPU,线程计算的时候,原始的数据来自内存,在计算过程中,有些数据可能被频繁读取,这些数据被存储在寄存器和高速缓存中,当线程计算完后,这些缓存的数据在适当的时候应该写回内存。当个多个线程同时读写某个内存数据时,就会产生多线程并发问

题,涉及到三个特性:原子性,有序性,可见性。在《线程安全总结》这篇文章中,为了理解方便,我把原子性和有序性统一叫做多线程执行有序性。支持多线程的平台都会面临这种问

题,运行在多线程平台上支持多线程的语言应该提供解决该问题的方案。

那么,我们看看JVMJVM是一个虚拟的计算机,它也会面临多线程并发问题,java程序运行在java虚拟机平台上,java程序员不可能直接去控制底层线程对寄存器高速缓存内存之间的同

步,那么java从语法层面,应该给开发人员提供一种解决方案,这个方案就是诸如

synchronized,volatile,锁机制(如同步块,就绪队列,阻塞队列)等等。这些方案只是语法层面的,但我们要从本质上去理解它,不能仅仅知道一个synchronized可以保证同步就完了。在这里我说的是jvm的内存模型,是动态的,面向多线程并发的,沿袭JSL“workingmemory”的说法,只是不想牵扯到太多底层细节,因为《线程安全总结》这篇文章意在说明怎样从语法层面去理解java的线程同步,知道各个关键字的使用场景。


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