Java多線程基礎(chǔ)（二）——Java內(nèi)存模型

huhud 發(fā)布于2019-08-16 12:39 / 1861人閱讀

摘要：一主存儲(chǔ)器與工作存儲(chǔ)器內(nèi)存模型分為主存儲(chǔ)器和工作存儲(chǔ)器兩種。工作存儲(chǔ)器每個(gè)線程各自獨(dú)立所擁有的作業(yè)區(qū)，在中，存有中的部分拷貝，稱之為工作拷貝。注意線程欲退出時(shí)，不會(huì)執(zhí)行工作存儲(chǔ)器的釋放操作。

一、主存儲(chǔ)器與工作存儲(chǔ)器

Java內(nèi)存模型（memory model）分為主存儲(chǔ)器（main memory）和工作存儲(chǔ)器（working memory）兩種。

主存儲(chǔ)器（main memory）：
類的實(shí)例所存在的區(qū)域，main memory為所有的線程所共享。

工作存儲(chǔ)器（working memory）：
每個(gè)線程各自獨(dú)立所擁有的作業(yè)區(qū)，在working memory中，存有main memory中的部分拷貝，稱之為工作拷貝（working copy）。

二、字段的使用 2.1 字段的引用

線程無法直接對(duì)主存儲(chǔ)器進(jìn)行操作，當(dāng)線程需要引用實(shí)例的字段的值時(shí)，會(huì)一次將字段值從主存儲(chǔ)器拷貝到工作存儲(chǔ)器上（相當(dāng)于上圖中的read->load）。
當(dāng)線程再次需要引用相同的字段時(shí)，可能直接使用剛才的工作拷貝（use），也可能重新從主存儲(chǔ)器獲取（read->load->use）。
具體會(huì)出現(xiàn)哪種情況，由JVM決定。

2.2 字段的賦值

由于線程無法直接對(duì)主存儲(chǔ)器進(jìn)行操作，所以也就無法直接將值指定給字段。
當(dāng)線程欲將值指定給字段時(shí)，會(huì)一次將值指定給位于工作存儲(chǔ)器上的工作拷貝（assign），指定完成后，工作拷貝的內(nèi)容便會(huì)復(fù)制到主存儲(chǔ)器（store->write），至于何時(shí)進(jìn)行復(fù)制，由JVM決定。
因此，當(dāng)線程反復(fù)對(duì)一個(gè)實(shí)例的字段進(jìn)行賦值時(shí)，可能只會(huì)對(duì)工作拷貝進(jìn)行指定（assign），此時(shí)只有指定的最后結(jié)果會(huì)在某個(gè)時(shí)刻拷貝到主存儲(chǔ)器（store-write）；也可能在每次指定時(shí)，都進(jìn)行拷貝到主存儲(chǔ)器的操作（assign->store->write）。

三、線程的原子操作

Java語(yǔ)言規(guī)范定義了線程的六種原子操作：

read
負(fù)責(zé)從主存儲(chǔ)器（main memory）拷貝到工作存儲(chǔ)器（working memory）

write
與上述相反，負(fù)責(zé)從工作存儲(chǔ)器（working memory）拷貝到主存儲(chǔ)器（main memory）

use
表示線程引用工作存儲(chǔ)器（working memory）的值

assign
表示線程將值指定給工作存儲(chǔ)器（working memory）

lock
表示線程取得鎖定

unlock
表示線程解除鎖定

四、synchronied的本質(zhì) 4.1 線程欲進(jìn)入synchronized

線程欲進(jìn)入synchronized時(shí)，會(huì)執(zhí)行以下兩類操作：

強(qiáng)制寫入主存儲(chǔ)器（main memory）

當(dāng)線程欲進(jìn)入synchronized時(shí)，如果該線程的工作存儲(chǔ)器（working memory）上有未映像到主存儲(chǔ)器的拷貝，則這些內(nèi)容會(huì)強(qiáng)制寫入主存儲(chǔ)器（store->write），則這些計(jì)算結(jié)果就會(huì)對(duì)其它線程可見（visible）。

工作存儲(chǔ)器（working memory）的釋放

當(dāng)線程欲進(jìn)入synchronized時(shí)，工作存儲(chǔ)器上的工作拷貝會(huì)被全部丟棄。之后，欲引用主存儲(chǔ)器上的值的線程，必定會(huì)從主存儲(chǔ)器將值拷貝到工作拷貝（read->load）。

4.2 線程欲退出synchronized

線程欲退出synchronized時(shí)，會(huì)執(zhí)行以下操作：

強(qiáng)制寫入主存儲(chǔ)器（main memory）

當(dāng)線程欲退出synchronized時(shí)，如果該線程的工作存儲(chǔ)器（working memory）上有未映像到主存儲(chǔ)器的拷貝，則這些內(nèi)容會(huì)強(qiáng)制寫入主存儲(chǔ)器（store->write），則這些計(jì)算結(jié)果就會(huì)對(duì)其它線程可見（visible）。

注意：線程欲退出synchronized時(shí)，不會(huì)執(zhí)行工作存儲(chǔ)器（working memory）的釋放操作。

五、volatile的本質(zhì)

volatile具有以下兩種功能：

進(jìn)行內(nèi)存同步

volatile只能做內(nèi)存同步，不能取代synchronized關(guān)鍵字做線程同步。
當(dāng)線程欲引用volatile字段的值時(shí)，通常都會(huì)發(fā)生從主存儲(chǔ)器到工作存儲(chǔ)器的拷貝操作；相反的，將值指定給寫著volatile的字段后，工作存儲(chǔ)器的內(nèi)容通常會(huì)立即映像到主存儲(chǔ)器

以原子（atomic）方式進(jìn)行l(wèi)ong、double的指定

六、Double Checked Locking Pattern的危險(xiǎn)性 6.1 可能存在缺陷的單例模式

設(shè)計(jì)模式中有一種單例模式（Singleton Pattern），通常采用鎖來保證線程的安全性。

Main類：

//兩個(gè)Main線程同時(shí)調(diào)用單例方法getInstance
public class Main extends Thread {
    public static void main(String[] args) {
        new Main().start();
        new Main().start();
    }
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + MySystem.getInstance().getDate());
    }
}

單例類：

//采用延遲加載+雙重鎖的形式保證線程安全以及性能
public class MySystem {
    private static MySystem instance = null;
    private Date date = new Date();
?
    private MySystem() {
    }
    public Date getDate() {
        return date;
    }
    public static MySystem getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (MySystem.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new MySystem();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

分析：
上述Main類的MySystem.getInstance().getDate()調(diào)用可能返回null或其它值。
假設(shè)有兩個(gè)線程A和B，按照以下順序執(zhí)行：

當(dāng)線程A執(zhí)行完A-4且未退出synchronized時(shí)，線程B開始執(zhí)行，此時(shí)B獲得了A創(chuàng)建好的instance實(shí)例。
但是注意，此時(shí)instance實(shí)例可能并未完全初始化完成。
這是因?yàn)榫€程A制作MySystem實(shí)例時(shí)，會(huì)給date字段指定值new Date()，此時(shí)可能只完成了assign操作（線程A對(duì)工作存取器上的工作拷貝進(jìn)行指定），在線程A退出synchronized時(shí)，線程A的工作存儲(chǔ)器上的值不保證一定會(huì)映像到主存儲(chǔ)器上（store->write）。

所以，當(dāng)線程B在線程A退出前就調(diào)用MySystem.getInstance().getDate()方法的話，由于主存儲(chǔ)器上的date字段并未被賦值過，所以B得到的date字段就是未初始化過的。

注意：上面描述的這種情況是否真的會(huì)發(fā)生，取決于JVM，由Java語(yǔ)言規(guī)范決定。

解決方法：
采用懶加載模式，在MySystem類中直接為instance 字段賦值：
private static MySystem instance = new MySystem();