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Java高并发编程

陈橘又青 人气:0

一、什么是JMM

JMM就是Java内存模型(java memory model)。因为在不同的硬件生产商和不同的操作系统下，内存的访问有一定的差异，所以会造成相同的代码运行在不同的系统上会出现各种问题。所以java内存模型(JMM)屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。

Java内存模型规定所有的变量都存储在主内存中，包括实例变量，静态变量，但是不包括局部变量和方法参数。每个线程都有自己的工作内存，线程的工作内存保存了该线程用到的变量和主内存的副本拷贝，线程对变量的操作都在工作内存中进行。线程不能直接读写主内存中的变量。

不同的线程之间也无法访问对方工作内存中的变量。线程之间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

每个线程的工作内存都是独立的，线程操作数据只能在工作内存中进行，然后刷回到主存。这是 Java 内存模型定义的线程基本工作方式。

温馨提醒一下，这里有些人会把Java内存模型误解为Java内存结构，然后答到堆，栈，GC垃圾回收，最后和面试官想问的问题相差甚远。实际上一般问到Java内存模型都是想问多线程，Java并发相关的问题。

二、JMM定义了什么

这个简单，整个Java内存模型实际上是围绕着三个特征建立起来的。分别是：原子性，可见性，有序性。这三个特征可谓是整个Java并发的基础。

原子性

原子性指的是一个操作是不可分割，不可中断的，一个线程在执行时不会被其他线程干扰。

面试官拿笔写了段代码，下面这几句代码能保证原子性吗？

int i = 2;
int j = i;
i++;
i = i + 1;

第一句是基本类型赋值操作，必定是原子性操作。

第二句先读取i的值，再赋值到j，两步操作，不能保证原子性。

第三和第四句其实是等效的，先读取i的值，再+1，最后赋值到i，三步操作了，不能保证原子性。

JMM只能保证基本的原子性，如果要保证一个代码块的原子性，提供了monitorenter 和 moniterexit 两个字节码指令，也就是 synchronized 关键字。因此在 synchronized 块之间的操作都是原子性的。

可见性

可见性指当一个线程修改共享变量的值，其他线程能够立即知道被修改了。Java是利用volatile关键字来提供可见性的。 当变量被volatile修饰时，这个变量被修改后会立刻刷新到主内存，当其它线程需要读取该变量时，会去主内存中读取新值。而普通变量则不能保证这一点。

除了volatile关键字之外，final和synchronized也能实现可见性。

synchronized的原理是，在执行完，进入unlock之前，必须将共享变量同步到主内存中。

final修饰的字段，一旦初始化完成，如果没有对象逸出（指对象为初始化完成就可以被别的线程使用），那么对于其他线程都是可见的。

有序性

在Java中，可以使用synchronized或者volatile保证多线程之间操作的有序性。实现原理有些区别：

volatile关键字是使用内存屏障达到禁止指令重排序，以保证有序性。

synchronized的原理是，一个线程lock之后，必须unlock后，其他线程才可以重新lock，使得被synchronized包住的代码块在多线程之间是串行执行的。

三、八种内存交互操作

内存交互操作有8种：

我再补充一下JMM对8种内存交互操作制定的规则吧：

四、volatile关键字

很多并发编程都使用了volatile关键字，主要的作用包括两点：

可见性

volatile修饰的变量，当一个线程改变了该变量的值，其他线程是立即可见的。普通变量则需要重新读取才能获得最新值。

volatile保证可见性的流程大概就是这个一个过程：

volatile一定能保证线程安全吗

先说结论吧，volatile不能一定能保证线程安全。

怎么证明呢，我们看下面一段代码的运行结果就知道了：

public class VolatileTest extends Thread {
private static volatile int count = 0;
public static void main(String[] args) throws Exception {
Vector<Thread> threads = new Vector<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
VolatileTest thread = new VolatileTest();
threads.add(thread);
thread.start();
}
//等待子线程全部完成
for (Thread thread : threads) {
thread.join();
}
//输出结果，正确结果应该是1000，实际却是984
System.out.println(count);//984
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
try {
//休眠500毫秒
Thread.sleep(500);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
count++;
}
}
}

为什么volatile不能保证线程安全？

很简单呀，可见性不能保证操作的原子性，前面说过了count++不是原子性操作，会当做三步，先读取count的值，然后+1，最后赋值回去count变量。需要保证线程安全的话，需要使用synchronized关键字或者lock锁，给count++这段代码上锁：

private static synchronized void add() {
count++;
}

禁止指令重排序

首先要讲一下as-if-serial语义，不管怎么重排序，（单线程）程序的执行结果不能被改变。

为了使指令更加符合CPU的执行特性，最大限度的发挥机器的性能，提高程序的执行效率，只要程序的最终结果与它顺序化情况的结果相等，那么指令的执行顺序可以与代码逻辑顺序不一致，这个过程就叫做指令的重排序。

重排序的种类分为三种，分别是：编译器重排序，指令级并行的重排序，内存系统重排序。整个过程如下所示：

指令重排序在单线程是没有问题的，不会影响执行结果，而且还提高了性能。但是在多线程的环境下就不能保证一定不会影响执行结果了。

所以在多线程环境下，就需要禁止指令重排序。

volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

下面举个例子：

private static int a;//非volatile修饰变量
private static int b;//非volatile修饰变量
private static volatile int k;//volatile修饰变量
private void hello() {
a = 1; //语句1
b = 2; //语句2
k = 3; //语句3
a = 4; //语句4
b = 5; //语句5
//...
}

变量a，b是非volatile修饰的变量，k则使用volatile修饰。所以语句3不能放在语句1、2前，也不能放在语句4、5后。但是语句1、2的顺序是不能保证的，同理，语句4、5也不能保证顺序。

并且，执行到语句3的时候，语句1，2是肯定执行完毕的，而且语句1,2的执行结果对于语句3,4,5是可见的。

volatile禁止指令重排序的原理

首先要讲一下内存屏障，内存屏障可以分为以下几类：

在每个volatile读操作后插入LoadLoad屏障，在读操作后插入LoadStore屏障。

在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障，后面插入一个SotreLoad屏障。

大概的原理就是这样。

五、总结

要学习并发编程，java内存模型是第一站了。原子性，有序性，可见性这三大特征几乎贯穿了并发编程，可谓是基础知识。对于后面要深入学习起到铺垫作用。

在这篇文章中，如果面试的话，重点是Java内存模型(JMM)的工作方式，三大特征，还有volatile关键字。为什么喜欢问volatile关键字呢，因为volatile关键字可以扯出很多东西，比如可见性，有序性，还有内存屏障等等，可以一针见血地看出面试者的技术水平。

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