淺談java內存模型
不同的平台，內存模型是不一樣的，但是jvm的內存模型規范是統一的。其實java的多線程並發問題最終都會反映在java的內存模型上，所謂線程安全無非是要控制多個線程對某個資源的有序訪問或修改。總結java的內存模型，要解決兩個主要的問題：可見性和有序性。我們都知道計算機有高速緩存的存在，處理器並不是每次處理數據都是取內存的。JVM定義了自己的內存模型，屏蔽了底層平台內存管理細節，對於java開發人員，要清楚在jvm內存模型的基礎上，如果解決多線程的可見性和有序性。
那麼，何謂可見性？ 多個線程之間是不能互相傳遞數據通信的，它們之間的溝通只能通過共享變量來進行。Java內存模型（JMM）規定了jvm有主內存，主內存是多個線程共享的。當new一個對象的時候，也是被分配在主內存中，每個線程都有自己的工作內存，工作內存存儲了主存的某些對象的副本，當然線程的工作內存大小是有限制的。當線程操作某個對象時，執行順序如下：
(1) 從主存復制變量到當前工作內存 (read and load)
(2) 執行代碼，改變共享變量值 (use and assign)
(3) 用工作內存數據刷新主存相關內容 (store and write)
JVM規范定義了線程對主存的操作指令：read，load，use，assign，store，write。當一個共享變量在多個線程的工作內存中都有副本時，如果一個線程修改了這個共享變量，那麼其他線程應該能夠看到這個被修改後的值，這就是多線程的可見性問題。
那麼，什麼是有序性呢 ？線程在引用變量時不能直接從主內存中引用,如果線程工作內存中沒有該變量,則會從主內存中拷貝一個副本到工作內存中,這個過程為read-load,完成後線程會引用該副本。當同一線程再度引用該字段時,有可能重新從主存中獲取變量副本(read-load-use),也有可能直接引用原來的副本(use),也就是說 read,load,use順序可以由JVM實現系統決定。
線程不能直接為主存中中字段賦值，它會將值指定給工作內存中的變量副本(assign),完成後這個變量副本會同步到主存儲區(store-write)，至於何時同步過去，根據JVM實現系統決定.有該字段,則會從主內存中將該字段賦值到工作內存中,這個過程為read-load,完成後線程會引用該變量副本，當同一線程多次重復對字段賦值時,比如：
Java代碼
for(int i=0;i<10;i++) a++;
線程有可能只對工作內存中的副本進行賦值,只到最後一次賦值後才同步到主存儲區，所以assign,store,weite順序可以由JVM實現系統決定。假設有一個共享變量x，線程a執行x=x+1。從上面的描述中可以知道x=x+1並不是一個原子操作，它的執行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內存
2 給x加1
3 將x加1後的值寫回主存
如果另外一個線程b執行x=x-1，執行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內存
2 給x減1
3 將x減1後的值寫回主存
那麼顯然，最終的x的值是不可靠的。假設x現在為10，線程a加1，線程b減1，從表面上看，似乎最終x還是為10，但是多線程情況下會有這種情況發生：
1：線程a從主存讀取x副本到工作內存，工作內存中x值為10
2：線程b從主存讀取x副本到工作內存，工作內存中x值為10
3：線程a將工作內存中x加1，工作內存中x值為11
4：線程a將x提交主存中，主存中x為11
5：線程b將工作內存中x值減1，工作內存中x值為9
6：線程b將x提交到中主存中，主存中x為9
同樣，x有可能為11，如果x是一個銀行賬戶，線程a存款，線程b扣款，顯然這樣是有嚴重問題的，要解決這個問題，必須保證線程a和線程b是有序執行的，並且每個線程執行的加1或減1是一個原子操作。看看下面代碼：
Java代碼
public class Account {
private int balance;
public Account(int balance) {
this.balance = balance;
}
public int getBalance() {
return balance;
}
public void add(int num) {
balance = balance + num;
}
public void withdraw(int num) {
balance = balance - num;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Account account = new Account(1000);
Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");
Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");
a.start();
b.start();
a.join();
b.join();
System.out.println(account.getBalance());
}
static class AddThread implements Runnable {
Account account;
int amount;
public AddThread(Account account, int amount) {
this.account = account;
this.amount = amount;
}
public void run() {
for (int i = 0; i < 200000; i++) {
account.add(amount);
}
}
}
static class WithdrawThread implements Runnable {
Account account;
int amount;
public WithdrawThread(Account account, int amount) {
this.account = account;
this.amount = amount;
}
public void run() {
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
account.withdraw(amount);
}
}
}
}
第一次執行結果為10200，第二次執行結果為1060，每次執行的結果都是不確定的，因為線程的執行順序是不可預見的。這是java同步產生的根源，synchronized關鍵字保證了多個線程對於同步塊是互斥的，synchronized作為一種同步手段，解決java多線程的執行有序性和內存可見性，而volatile關鍵字之解決多線程的內存可見性問題。後面將會詳細介紹。
synchronized關鍵字
上面說了，java用synchronized關鍵字做為多線程並發環境的執行有序性的保證手段之一。當一段代碼會修改共享變量，這一段代碼成為互斥區或臨界區，為了保證共享變量的正確性，synchronized標示了臨界區。典型的用法如下：
Java代碼
synchronized(鎖){
臨界區代碼
}
為了保證銀行賬戶的安全，可以操作賬戶的方法如下：
Java代碼
public synchronized void add(int num) {
balance = balance + num;
}
public synchronized void withdraw(int num) {
balance = balance - num;
}
剛才不是說了synchronized的用法是這樣的嗎：
Java代碼
synchronized(鎖){
臨界區代碼
}
那麼對於public synchronized void add(int num)這種情況，意味著什麼呢？其實這種情況，鎖就是這個方法所在的對象。同理，如果方法是public static synchronized void add(int num)，那麼鎖就是這個方法所在的class。
理論上，每個對象都可以做為鎖，但一個對象做為鎖時，應該被多個線程共享，這樣才顯得有意義，在並發環境下，一個沒有共享的對象作為鎖是沒有意義的。假如有這樣的代碼：
Java代碼
public class ThreadTest{
public void test(){
Object lock=new Object();
synchronized (lock){
//do something
}
}
}
lock變量作為一個鎖存在根本沒有意義，因為它根本不是共享對象，每個線程進來都會執行Object lock=new Object();每個線程都有自己的lock，根本不存在鎖競爭。
每個鎖對象都有兩個隊列，一個是就緒隊列，一個是阻塞隊列，就緒隊列存儲了將要獲得鎖的線程，阻塞隊列存儲了被阻塞的線程，當一個被線程被喚醒(notify)後，才會進入到就緒隊列，等待cpu的調度。當一開始線程a第一次執行account.add方法時，jvm會檢查鎖對象account的就緒隊列是否已經有線程在等待，如果有則表明account的鎖已經被占用了，由於是第一次運行，account的就緒隊列為空，所以線程a獲得了鎖，執行account.add方法。如果恰好在這個時候，線程b要執行account.withdraw方法，因為線程a已經獲得了鎖還沒有釋放，所以線程b要進入account的就緒隊列，等到得到鎖後才可以執行。
一個線程執行臨界區代碼過程如下：
1 獲得同步鎖
2 清空工作內存
3 從主存拷貝變量副本到工作內存
4 對這些變量計算
5 將變量從工作內存寫回到主存
6 釋放鎖
可見，synchronized既保證了多線程的並發有序性，又保證了多線程的內存可見性。
生產者/消費者模式
生產者/消費者模式其實是一種很經典的線程同步模型，很多時候，並不是光保證多個線程對某共享資源操作的互斥性就夠了，往往多個線程之間都是有協作的。
假設有這樣一種情況，有一個桌子，桌子上面有一個盤子，盤子裡只能放一顆雞蛋，A專門往盤子裡放雞蛋，如果盤子裡有雞蛋，則一直等到盤子裡沒雞蛋，B專門從盤子裡拿雞蛋，如果盤子裡沒雞蛋，則等待直到盤子裡有雞蛋。其實盤子就是一個互斥區，每次往盤子放雞蛋應該都是互斥的，A的等待其實就是主動放棄鎖，B等待時還要提醒A放雞蛋。
如何讓線程主動釋放鎖
很簡單，調用鎖的wait()方法就好。wait方法是從Object來的，所以任意對象都有這個方法。看這個代碼片段：
Java代碼
Object lock=new Object();//聲明了一個對象作為鎖
synchronized (lock) {
balance = balance - num;
//這裡放棄了同步鎖，好不容易得到，又放棄了
lock.wait();
}
如果一個線程獲得了鎖lock，進入了同步塊，執行lock.wait()，那麼這個線程會進入到lock的阻塞隊列。如果調用lock.notify()則會通知阻塞隊列的某個線程進入就緒隊列。
聲明一個盤子，只能放一個雞蛋
Java代碼
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Plate {
List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();
public synchronized Object getEgg() {
if (eggs.size() == 0) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
Object egg = eggs.get(0);
eggs.clear();// 清空盤子
notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列
System.out.println("拿到雞蛋");
return egg;
}
public synchronized void putEgg(Object egg) {
if (eggs.size() > 0) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
eggs.add(egg);// 往盤子裡放雞蛋
notify();// 喚醒阻塞隊列的某線程到就緒隊列
System.out.println("放入雞蛋");
}
static class AddThread extends Thread{
private Plate plate;
private Object egg=new Object();
public AddThread(Plate plate){
this.plate=plate;
}
public void run(){
for(int i=0;i<5;i++){
plate.putEgg(egg);
}
}
}
static class GetThread extends Thread{
private Plate plate;
public GetThread(Plate plate){
this.plate=plate;
}
public void run(){
for(int i=0;i<5;i++){
plate.getEgg();
}
}
}
public static void main(String args[]){
try {
Plate plate=new Plate();
Thread add=new Thread(new AddThread(plate));
Thread get=new Thread(new GetThread(plate));
add.start();
get.start();
add.join();
get.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("測試結束");
}
}
執行結果：
Html代碼
放入雞蛋
拿到雞蛋
放入雞蛋
拿到雞蛋
放入雞蛋
拿到雞蛋
放入雞蛋
拿到雞蛋
放入雞蛋
拿到雞蛋
測試結束
聲明一個Plate對象為plate，被線程A和線程B共享，A專門放雞蛋，B專門拿雞蛋。假設
1 開始，A調用plate.putEgg方法，此時eggs.size()為0，因此順利將雞蛋放到盤子，還執行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊列的線程，此時阻塞隊列還沒有線程。
2 又有一個A線程對象調用plate.putEgg方法，此時eggs.size()不為0，調用wait()方法，自己進入了鎖對象的阻塞隊列。
3 此時，來了一個B線程對象，調用plate.getEgg方法，eggs.size()不為0，順利的拿到了一個雞蛋，還執行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊列的線程，此時阻塞隊列有一個A線程對象，喚醒後，它進入到就緒隊列，就緒隊列也就它一個，因此馬上得到鎖，開始往盤子裡放雞蛋，此時盤子是空的，因此放雞蛋成功。
4 假設接著來了線程A，就重復2；假設來料線程B，就重復3。
整個過程都保證了放雞蛋，拿雞蛋，放雞蛋，拿雞蛋。
volatile關鍵字
volatile是java提供的一種同步手段，只不過它是輕量級的同步，為什麼這麼說，因為volatile只能保證多線程的內存可見性，不能保證多線程的執行有序性。而最徹底的同步要保證有序性和可見性，例如synchronized。任何被volatile修飾的變量，都不拷貝副本到工作內存，任何修改都及時寫在主存。因此對於Valatile修飾的變量的修改，所有線程馬上就能看到，但是volatile不能保證對變量的修改是有序的。什麼意思呢？假如有這樣的代碼：
Java代碼
public class VolatileTest{
public volatile int a;
public void add(int count){
a=a+count;
}
}
當一個VolatileTest對象被多個線程共享，a的值不一定是正確的，因為a=a+count包含了好幾步操作，而此時多個線程的執行是無序的，因為沒有任何機制來保證多個線程的執行有序性和原子性。volatile存在的意義是，任何線程對a的修改，都會馬上被其他線程讀取到，因為直接操作主存，沒有線程對工作內存和主存的同步。所以，volatile的使用場景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 變量替代鎖。要使 volatile 變量提供理想的線程安全,必須同時滿足下面兩個條件:
1)對變量的寫操作不依賴於當前值。
2)該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
volatile只保證了可見性，所以Volatile適合直接賦值的場景，如
Java代碼
public class VolatileTest{
public volatile int a;
public void setA(int a){
this.a=a;
}
}
在沒有volatile聲明時，多線程環境下，a的最終值不一定是正確的，因為this.a=a;涉及到給a賦值和將a同步回主存的步驟，這個順序可能被打亂。如果用volatile聲明了，讀取主存副本到工作內存和同步a到主存的步驟，相當於是一個原子操作。所以簡單來說，volatile適合這種場景：一個變量被多個線程共享，線程直接給這個變量賦值。這是一種很簡單的同步場景，這時候使用volatile的開銷將會非常小。
以上所述是小編給大家介紹的Java線程安全問題小結，希望對大家有所幫助，如果大家有任何疑問請給我留言，小編會及時回復大家的。在此也非常感謝大家對網站的支持！
