Java 并发 - JMM理论基础

Java 并发 - 理论基础

概述：
计算机中最核心的组件是CPU、内存、磁盘（I/O设备），CPU的计算速度是非常快的，内存次之、最后是IO设备比如磁盘。为了合理利用 CPU 的高性能，平衡这三者的速度差异，计算机体系结构、操作系统、编译程序都做出了贡献。

主要体现为:

• CPU 增加了缓存，以均衡与内存的速度差异；// 导致 可见性问题（上篇已经具体分析了）
• 操作系统增加了进程、线程，以分时复用 CPU，进而均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异；// 导致 原子性问题
• 编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用。// 导致 有序性问题

线程不安全示例

public class ThreadUnsafeExample {

    private int cnt = 0;

    public void add() {
        cnt++;
    }

    public int get() {
        return cnt;
    }
}
 
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final int threadSize = 1000;
    ThreadUnsafeExample example = new ThreadUnsafeExample();
    final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
        executorService.execute(() -> {
            example.add();
            countDownLatch.countDown();
        });
    }
    countDownLatch.await();
    executorService.shutdown();
    System.out.println(example.get());
}

//多运行几次，发现每次结果不一样，而且结果总是不等于1000
997 

可见性、原子性、有序性是并发出现问题的根源。

一：可见性

可见性问题是CPU 增加了缓存(以均衡与内存的速度差异)引起的，简单解释可见性就是一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到。

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;
 
//线程2执行的代码
j = i;
 

假若执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。 此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.。

这就是可见性问题，线程1对变量i修改了之后，线程2没有立即看到线程1修改的值。

二：原子性

原子性问题是操作系统增加了进程、线程，分时复用 CPU（进而均衡 CPU 与 I/O 设备的速度差异)引起的，简单解释原子性就是一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

经典的转账问题就是必须要具备原子性才能保证不出现问题。

三：有序性

有序性问题是编译程序优化指令执行次序（使得缓存能够得到更加合理地利用）引起的，简单解释有序性就是程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2
  

上面代码定义了一个int型变量，定义了一个boolean类型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗? 不一定，因为这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。

java 从源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序：

• 1、编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下提升执行的效率，可以重新安排语句的执行顺序。
• 2、指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
• 3、内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行（这个上一篇硬件层面已经分析过）。

1 属于编译器重排序，2 和 3 属于处理器重排序。这些重排序都可能会因为指令执行的顺序，导致多线程程序出现内存可见性问题。

• 对于编译器，JMM 的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。
• 对于处理器重排序，JMM 的处理器重排序规则会要求 java 编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（memory barriers）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。

四：JAVA解决并发问题: JMM(Java内存模型-后面会进行详解)

理解的第一个维度：核心知识点
JMM本质上可以理解为，Java 内存模型规范了 JVM 提供按需禁用缓存和编译优化的方法。具体来说，这些方法包括：

• volatile、synchronized 和 final 三个关键字（后面会分三篇进行讲解）
• Happens-Before 规则

理解的第二个维度：可见性，有序性，原子性

• 可见性
  在Java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。

另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

• 有序性
  在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。当然JMM是通过Happens-Before 规则来保证有序性的。

• 原子性
  在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。

x = 10;        //语句1: 直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中
y = x;         //语句2: 包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。
x++;           //语句3： x++包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。
x = x + 1;     //语句4： 同语句3

也就是说只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。

Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

五：Happens-Before 规则
JVM 规定了先行发生原则，让一个操作无需控制就能先于另一个操作完成（用以辅助解决原子性、可见性、有序性问题）。

1.、监视器锁定规则（Monitor Lock Rule）
一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。

2、 volatile 变量规则（Volatile Variable Rule）
对一个 volatile 变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。

3、 单一线程原则（Single Thread rule）
在一个线程内，在程序前面的操作先行发生于后面的操作。

4.、线程启动规则（Thread Start Rule）
Thread 对象的 start() 方法调用先行发生于此线程的每一个动作。

5.、线程加入规则（Thread Join Rule）
Thread 对象的结束先行发生于 join() 方法返回。

6.、线程中断规则（Thread Interruption Rule）
对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过 interrupted() 方法检测到是否有中断发生。

7、 对象终结规则（Finalizer Rule）
一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的 finalize() 方法的开始。

8、 传递性（Transitivity）
如果操作 A 先行发生于操作 B，操作 B 先行发生于操作 C，那么操作 A 先行发生于操作 C。

六：线程安全的实现方法

1、 互斥同步

synchronized 和 ReentrantLock（后面会详解）。

2.、非阻塞同步

互斥同步最主要的问题就是线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，因此这种同步也称为阻塞同步。

互斥同步属于一种悲观的并发策略，总是认为只要不去做正确的同步措施，那就肯定会出现问题。无论共享数据是否真的会出现竞争，它都要进行加锁(这里讨论的是概念模型，实际上虚拟机会优化掉很大一部分不必要的加锁)、用户态核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要唤醒等操作。

2.1、CAS
随着硬件指令集的发展，我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略: 先进行操作，如果没有其它线程争用共享数据，那操作就成功了，否则采取补偿措施(不断地重试，直到成功为止)。这种乐观的并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞，因此这种同步操作称为非阻塞同步。 乐观锁需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，这里就不能再使用互斥同步来保证了，只能靠硬件来完成。硬件支持的原子性操作最典型的是: 比较并交换(Compare-and-Swap，CAS)。CAS 指令需要有 3 个操作数，分别是内存地址 V、旧的预期值 A 和新值 B。当执行操作时，只有当 V 的值等于 A，才将 V 的值更新为 B。

2.2、Atomic原子类
J.U.C 包里面的整数原子类 AtomicInteger，其中的 compareAndSet() 和 getAndIncrement() 等方法都使用了 Unsafe 类的 CAS 操作。

private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger();

public void add() {
    cnt.incrementAndGet();
}

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
 

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}
  

可以看到 getAndAddInt() 在一个循环中进行，发生冲突的做法是不断的进行重试。

2.3、ABA

如果一个变量初次读取的时候是 A 值，它的值被改成了 B，后来又被改回为 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。
JUC 包提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference 来解决这个问题，它可以通过控制变量值的版本来保证 CAS 的正确性。大部分情况下 ABA 问题不会影响程序并发的正确性，如果需要解决 ABA 问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

3、无同步方案
要保证线程安全，并不是一定就要进行同步。如果一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性。

3.1、栈封闭
多个线程访问同一个方法的局部变量时，不会出现线程安全问题，因为局部变量存储在虚拟机栈中，属于线程私有的。

3.2、线程本地存储(Thread Local Storage)

如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行。如果能保证，我们就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。
例如：大部分使用消费队列的架构模式(如“生产者-消费者”模式)都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完。

public class ThreadLocalExample1 {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocal threadLocal1 = new ThreadLocal();
        ThreadLocal threadLocal2 = new ThreadLocal();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            threadLocal1.set(1);
            threadLocal2.set(1);
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            threadLocal1.set(2);
            threadLocal2.set(2);
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

每个 Thread 都有一个 ThreadLocal.ThreadLocalMap 对象，Thread 类中就定义了 ThreadLocal.ThreadLocalMap 成员。

 
/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
 * by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}
  

ThreadLocal 从理论上讲并不是用来解决多线程并发问题的，因为根本不存在多线程竞争。
在一些场景 (尤其是使用线程池) 下，由于 ThreadLocal.ThreadLocalMap 的底层数据结构导致 ThreadLocal 有内存泄漏的情况，应该尽可能在每次使用 ThreadLocal 后手动调用 remove()，以避免出现 ThreadLocal 经典的内存泄漏甚至是造成自身业务混乱的风险。

3.3、可重入代码(Reentrant Code)

可重入代码：不依赖存储在堆上的数据和公用的系统资源、用到的状态量都由参数中传入、不调用非可重入的方法等。
可重入代码可以在代码执行的任何时刻中断它，转而去执行另外一段代码(包括递归调用它本身)，而在控制权返回后，原来的程序不会出现任何错误。