了解Java多线程的可见性与有序性

多线程的可见性

一个线程对共享变量值的修改，能够及时的被其他线程看到。

共享变量

如果一个变量在多个线程的工作内存中都存在副本，那么这个变量就是这几个线程的共享变量。
Java内存模型

JMM（Java Memory Model，简称JMM）描述了Java程序中各种变量（线程共享变量）的访问规则，以及在JVM中将变量存储到内存和从内存中读取出变量这样的底层细节。它遵循四个原则：

  1. 所有的变量都存储在主内存中
  2. 每个线程都有自己独立的工作内存，里面保存该线程使用到的变量的副本（主内存中该变量的一份拷贝）
  3. 线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，不能直接从主内存中读写
  4. 不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量，线程间变量的传递需要通过主内存来完成

共享变量可见性实现的原理

线程1对共享变量的修改要想被线程2及时看到，必须经过如下2个步骤：

  1. 把工作内存1中更新过的共享变量刷新到主内存中
  2. 将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中

Java的内存模型：

Java语言层面支持的可见性实现方式有以下两种：

  • synchronized
  • volatile

synchronized

JMM关于synchronized的规定：

  • 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中
  • 线程加锁时，将清空工作内存中存储的共享变量的值，从而使用共享变量时，必须从主内存中重新读取最新的值。（注意：解锁和加锁，是指同一把锁）

因此线程执行synchronized代码执行互斥锁的过程：

  1. 获得互斥锁。
  2. 清空工作内存。
  3. 从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存。
  4. 执行代码
  5. 将更改后的共享变量的值刷新到主内存中
  6. 释放互斥锁

synchronize在JDK6之后，不单单是互斥锁。

volatile

不能保证原子性，但适合使用volatile修饰状态标记量
通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现的

  • 在每个volatile写操作前插入StoreStore屏障，在写操作后插入StoreLoad屏障
  • 在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障，在读操作后插入LoadStore屏障

通俗地讲：volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中重读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫将最新的值刷新到主内存。这样任何时刻，不同的线程总能看到该变量的最新值。

volatile写操作：

volatile读操作：

多线程的有序性

在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

指令重排序：代码书写的顺序与实际执行的顺序不同，指令重排序是编译器或者处理器为了提高程序性能而做的优化。

  • 编译器优化的重排序（编译器优化）
  • 指令集并行重排序（处理器优化）
  • 内存系统的重排序（处理器优化）

happens-before原则

JMM可以通过happens-before关系向程序员提供跨线程的内存可见性保证（如果A线程的写操作a与B线程的读操作b之间存在happens-before关系，尽管a操作和b操作在不同的线程中执行，但JMM向程序员保证a操作将对b操作可见）。

  • 程序次序规则：在一个线程内一段代码的执行结果是有序的。就是还会指令重排，但是随便它怎么排，结果是按照我们代码的顺序生成的不会变！
  • 管程锁定规则：就是无论是在单线程环境还是多线程环境，对于同一个锁来说，一个线程对这个锁解锁之后，另一个线程获取了这个锁都能看到前一个线程的操作结果！(管程是一种通用的同步原语，synchronized就是管程的实现）
  • volatile变量规则：就是如果一个线程先去写一个volatile变量，然后一个线程去读这个变量，那么这个写操作的结果一定对读的这个线程可见。
  • 传递规则：happens-before原则具有传递性，即A happens-before B ， B happens-before C，那么A happens-before C。
  • 线程启动规则：在主线程A执行过程中，启动子线程B，那么线程A在启动子线程B之前对共享变量的修改结果对线程B可见。
  • 线程终止规则：在主线程A执行过程中，子线程B终止，那么线程B在终止之前对共享变量的修改结果在线程A中可见。
  • 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()检测到是否发生中断。
  • 对象终结规则：一个对象的初始化的完成，也就是构造函数执行的结束一定 happens-before它的finalize()方法。

以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持我们。

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