Java并发编程:JMM (Java内存模型) 以及与volatile关键字详解
计算机系统的一致性
在现代计算机操作系统中,多任务处理几乎是一项必备的功能,因为嵌入了多核处理器,计算机系统真正做到了同一时间执行若干个任务,是名副其实的多核系统。在多核系统中,为了提升CPU与内存的交互效率,一般都设置了一层 “高速缓存区” 作为内存与处理器之间的缓冲,使得CPU在运算的过程中直接从高速缓存区读取数据,一定程度上解决了性能的问题。但是,这样也带来了一个新问题,就是“缓存一致性”的问题。比如,多核的情况下,每个处理器都有自己的缓存区,数据如何保持一致性。针对这个问题,现代的计算机系统引入多处理器的数据一致性的协议,包括MOSI、Synapse、Firely、DragonProtocol等。
当处理器通过高速缓存区与主内存发生交互时,对数据的读写必须遵循协议规定的标准,用一张关系图表示的话大概如下:
而Java的内存模型 (JMM) 可以说与硬件的一致性模型很相似,采用的是共享内存的线程通信机制。
Java内存模型
Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中,每个线程拥有自己的工作内存,工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本拷贝,线程只能操作自己工作内存的变量副本,操作完变量后会更新到主内存,通过主内存来完成与其他线程间变量值的传递。此模型的交互关系如下图所示:
然而,Java的内存模型只是反映了虚拟机内部的线程处理机制,并不保证程序本身的并发安全性。
举一个例子,在程序中对一个共享变量做自增操作:
i++;
假设初始化的时候i=0,当跑到此程序时,线程首先从主内存读取i的值,然后复制到自己的工作内存,进行i++操作,最后将操作后的结果从工作内存复制到主内存中。如果是两个线程执行i++的程序,预期的结果是2。但真的是这样吗?答案是否定的。
假设线程1读取主内存的i=0,复制到自己的工作内存,在进行i++的操作后还没来得及更新到主内存,这时线程2也读取i=0,做了同样的操作,那么最终得到的结果为1,而不是2。
这是典型的关于多线程并发安全例子,也是Java并发编程中最值得探讨的话题之一,一般来说,处理这种问题有两种手段:
- 加锁,比如同步代码块的方式。保证同一时间只能有一个线程能执行i++这条程序。
- 利用线程间的通信,比如使用对象的wait和notify方法来。
因为本文主要是探究 JMM 和 volatile 关键字的知识,具体怎么实现并发处理就不做深入探讨了,改天看看抽个时间再写篇博文专门讲解好了。
内存模型的3个重要特征
初步了解完什么是JMM后,我们来进一步了解它的重要特征。值得说明的是,在Java多线程开发中,遵循着三个基本特性,分别是原子性、可见性和有序性,而Java的内存模型正是围绕着在并发过程中如何处理这三个特征建立的。
原子性
原子性是指操作是原子性的,不可中断的。举个例子:
String s="abc";
这个操作是直接赋值,是原子性操作。而类似下面这段代码就不是原子性了:
i++;
当执行i++时,需要先获取i的值,然后再执行i+1,相当于包含了两个操作,所以不是原子性。
可见性
可见性是指共享数据的时候,一个线程修改了数据,其他线程知道数据被修改,会重新读取最新的主存的数据。就像前面说的两个线程处理i++的问题,线程1改完后没有更新到主内存,所以线程2是不知道的。
有序性
是指代码执行的有序性,对于一个线程执行的代码,我们可以认为代码是依次执行的,但并发中可能就会出现乱序,因为代码有可能发生指令重排序(Instruction Reorder),重排后的指令与原指令的顺序未必一致。
指令重排序
编译器能够自由的以优化的名义去改变指令顺序。在特定的环境下,处理器可能会次序颠倒的执行指令。是为指令的重排序,尤其是并发的情况下。
java提供了volatile和synchronized来保证线程之间操作的有序性。volatile含有禁止指令重排序的语义(即它的第二个语义),synchronized规定一个变量在同一时刻只允许一条线程对其lock操作,也就是说同一个锁的两个同步块只能串行进入。禁止了指令的重排序。
volatile关键字
说到了volatile,我们就有必要了解一下这个关键字是做什么的。
准确来说,volatile是java提供的轻量的同步机制。它有两个特性:
- 保证修饰的变量对所有线程的可见性。
- 禁止指令的重排序优化。
保证可见性和防止指令重排
简单写段代码说明一下:
public class VolatileDemo {
private static boolean isReady;
private static int number;
private static class ReaderThread extends Thread{
@Override
public void run() {
while (!isReady);
System.out.println("number = "+number);
}
}
public static void main(String[] args) {
new ReaderThread().start();
try {
Thread.sleep(1000);
number = 42;
isReady = true;
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
在上面的代码中,ReaderThread
只有在 isReady
为 true 时才会打印出 number
的值,然而,真实的情况有可能是打印不出来(可能性比较小,但还是有),因为线程ReaderThread线程无法看到主线程中对isReady
的修改,导致while循环永远无法退出,同时,因为有可能发生指令重排,导致下面的代码不能按顺序执行:
number = 42;
isReady = true;
也就是能打印的话,number值可能是0,不是42。如果在变量加上volatile关键字,告诉Java虚拟机这两个变量可能会被不同的线程修改,那么就可以防止上述两种不正常的情况的发生。
不能保证原子性
volatile能保证可见性和有序性,但无法保证原子性,比如下面的例子:
public class VolatileDemo {
public static volatile int i = 0;
public static void increase() {
i++;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileDemo test = new VolatileDemo();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 1000; j++)
test.increase();
}).start();
}
Thread.sleep(1000);
System.out.println(test.i);
}
}
正常情况下,我们期望上面的main函数执行完后输出的结果是10000,但你会发现,结果总是会小于10000,因为increase()方法中的i++
操作不是原子性的,分成了读和写两个操作。假设当线程1读取了 i 的值,还没有修改,线程2这时也进行了读取。然后,线程1修改完了,通知线程2重新读取 i 的值,可这时它不需要读取 i,它仍执行写操作,然后赋值给主线程,这时数据就会出现问题。
所以,一般针对共享变量的读写操作,还是需要用锁来保证结果,例如加上 synchronized关键字。
参考:
《Java高并发程序设计》
《深入理解Java虚拟机》
Java并发编程:JMM (Java内存模型) 以及与volatile关键字详解的更多相关文章
- Java并发编程原理与实战三十二:ForkJoin框架详解
1.Fork/Join框架有什么用呢? ------->Fork使用来切分任务,Join是用来汇总结果.举个简单的栗子:任务是1+2+3+...+100这个任务(当然这个任务的结果有好的算法去做 ...
- Java并发编程:Java的四种线程池的使用,以及自定义线程工厂
目录 引言 四种线程池 newCachedThreadPool:可缓存的线程池 newFixedThreadPool:定长线程池 newSingleThreadExecutor:单线程线程池 newS ...
- Java volatile关键字详解
Java volatile关键字详解 volatile是java中的一个关键字,用于修饰变量.被此关键修饰的变量可以禁止对此变量操作的指令进行重排,还有保持内存的可见性. 简言之它的作用就是: 禁止指 ...
- Java并发编程(1)-Java内存模型
本文主要是学习Java内存模型的笔记以及加上自己的一些案例分享,如有错误之处请指出. 一 Java内存模型的基础 1.并发编程模型的两个问题 在并发编程中,需要了解并会处理这两个关键问题: 1.1.线 ...
- 简要概述java内存模型,以及volatile关键字
如果我们要想深入了解Java并发编程,就要先理解好Java内存模型.Java内存模型定义了多线程之间共享变量的可见性以及如何在需要的时候对共享变量进行同步.原始的Java内存模型效率并不是很理想,因此 ...
- Java并发编程:Java内存模型JMM
简介 Java内存模型英文叫做(Java Memory Model),简称为JMM.Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型来屏蔽掉各种硬件和系统的内存访问差异,实现平台无关性. CPU和缓存一 ...
- Java并发编程--7.Java内存操作总结
主内存和工作内存 工作规则 Java内存模型, 定义变量的访问规则, 即将共享变量存储到内存和取出内存的底层细节 所有的变量都存储在主内存中,每条线程有自己的工作内存,工作内存中用到的变量, 是从主 ...
- 深入理解java虚拟机(6)---内存模型与线程 & Volatile
其实关于线程的使用,之前已经写过博客讲解过这部分的内容: http://www.cnblogs.com/deman/category/621531.html JVM里面关于多线程的部分,主要是多线程是 ...
- Java并发编程:Java中的锁和线程同步机制
锁的基础知识 锁的类型 锁从宏观上分类,只分为两种:悲观锁与乐观锁. 乐观锁 乐观锁是一种乐观思想,即认为读多写少,遇到并发写的可能性低,每次去拿数据的时候都认为别人不会修改,所以不会上锁,但是在更新 ...
随机推荐
- Makefile基础学习
Makefile基础学习 理论知识 makefile关系到了整个工程的编译规则.一个工程中的源文件不计其数,并且按类型.功能.模块分别放在若干个目录中,makefile定义了一系列的规则来指定,哪些文 ...
- uart通讯协议
本次设计的源码在http://download.csdn.net/detail/noticeable/9912383 下载 实验目的:通过uart通讯协议的编写,了解FPGA的通讯协议编写的方法. 实 ...
- cant found Microsoft.VSSDK.BuildTools.15.0.26201
如果在vs扩展开发中出现 严重性 代码 说明 项目 文件 行 禁止显示状态 错误 Failed to load 'C:\程序\EncodingNormalior\packages\Microsoft. ...
- ng4 路由多参数传参以及接收
import { Router } from '@angular/router'; constructor( private router:Router, ) { } goApplicationDet ...
- sql-向已有数据的表添加约束
语法: alter table 表名 with nocheck add constraint 约束名 约束类型 具体的约束说明 对表中现有的数据不做检查, 只对添加约束后再录入的数据进行检查. 例子: ...
- 696. Count Binary Substrings
Give a string s, count the number of non-empty (contiguous) substrings that have the same number of ...
- HaProxy 负载均衡集群
HAProxy是一个使用C语言编写的自由及开放源代码软件,其提供高可用性.负载均衡,以及基于TCP和HTTP的应用程序代理,特别适用于那些负载特大的web站点,这些站点通常又需要会话保持或七层处理.H ...
- DBUtils的增删改查
数据准备: CREATE DATABASE mybase; USE mybase; CREATE TABLE users( uid INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT, us ...
- 机器学习与Tensorflow(4)——卷积神经网络与tensorflow实现
1.标准卷积神经网络 标准的卷积神经网络由输入层.卷积层(convolutional layer).下采样层(downsampling layer).全连接层(fully—connected laye ...
- MySql安装与使用(linux)
安装 MySQL 注意:此处安装是yum安装为例: MySQL安装 #yum install mysql-server 完后显示如下: MySQL初始化 #service mysqld start 查 ...