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JMM,Happens-Before,volatile详细介绍

liang 2022-06-29 135 0条评论 多线程知识juc多线程编码学习

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发布于2022-07-08

JMM介绍

JMM的定义

因为有这么多级的缓存(cpu和物理主内存的速度不一致的),CPU的运行并不是直接操作内存而是先把内存里边的数据读到缓存,而内存的读和写操作的时候就会造成不一致的问题

内存cpu关系图
Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型(java Memory Model,简称JMM) 来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内存访问效果.
JMM(Java内存模型Java Memory Model,简称JMM)本身是一种抽象的概念并不真实存在它仅仅描述的是一组约定或规范,通过这组规范定义了程序中(尤其是多线程)各个变量的读写访问方式并决定一个线程对共享变量的写入何时以及如何变成对另一个线程可见,关键技术点都是围绕多线程的原子性、可见性和有序性展开的

能做什么事

  • 通过JMM来实现线程和主内存之间的抽象关系
  • 屏蔽各个硬件平台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内存访问效果

    三大特性

    可见性

    是指当一个线程修改了某一个共享变量的值,其他线程是否能够立即知道该变更 ,JMM规定了所有的变量都存储在主内存中
    Java中普通的共享变量不保证可见性,因为数据修改被写入内存的时机是不确定的,多线程并发下很可能出现"脏读",所以每个线程都有自己的工作内存,线程自己的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝,线程对变量的所有操作(读取,赋值等 )都必需在线程自己的工作内存中进行,而不能够直接读写主内存中的变量。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成

    原子性

    指一个操作是不可中断的,即多线程环境下,操作不能被其他线程干扰

    有序性

    对于一个线程的执行代码而言,我们总是习惯性认为代码的执行总是从上到下,有序执行。
    但为了提供性能,编译器和处理器通常会对指令序列进行重新排序。
    指令重排可以保证串行语义一致,但没有义务保证多线程间的语义也一致,即可能产生"脏读",简单说,两行以上不相干的代码在执行的时候有可能先执行的不是第一条,不见得是从上到下顺序执行,执行顺序会被优化。
    单线程环境里面确保程序最终执行结果和代码顺序执行的结果一致。
    处理器在进行重排序时必须要考虑指令之间的数据依赖性
    多线程环境中线程交替执行,由于编译器优化重排的存在,两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的,结果无法预测
    指令重排的优化过程

Happens-Before(先行发生)介绍

总原则定义

  • 如果一个操作happens-before另一个操作,那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见,而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。
  • 两个操作之间存在happens-before关系,并不意味着一定要按照happens-before原则制定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果与按照happens-before关系来执行的结果一致,那么这种重排序并不非法。\

    详细的8条原则

    次序规则

    一个线程内,按照代码顺序,写在前面的操作先行发生于写在后面的操作

    锁定规则

    一个unLock操作先行发生于后面((这里的“后面”是指时间上的先后))对同一个锁的lock操作

    volatile变量规则

    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,前面的写对后面的读是可见的,这里的“后面”同样是指时间上的先后

    传递规则

    如果操作A先行发生于操作B,而操作B又先行发生于操作C,则可以得出操作A先行发生于操作C;

    线程启动规则(Thread Start Rule)

    Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作

    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

    线程终止规则(Thread Termination Rule)

    线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测,我们可以通过Thread::join()方法是否结束、Thread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止执行。

    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.对象没有完成初始化之前,是不能调用finalized()方法的

    volatile介绍

    可见性和有序性

    volatile通过内存屏障来保障可见性和有序性(禁止指令重排)

    内存语义

  • 当写一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值立即刷新回主内存中。
  • 当读一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存设置为无效,直接从主内存中读取共享变量
  • 所以volatile的写内存语义是直接刷新到主内存中,读的内存语义是直接从主内存中读取。

    内存屏障(重要)

    定义

    内存屏障(也称内存栅栏,内存栅障,屏障指令等,是一类同步屏障指令,是CPU或编译器在对内存随机访问的操作中的一个同步点,使得此点之前的所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作),避免代码重排序。内存屏障其实就是一种JVM指令,Java内存模型的重排规则会要求Java编译器在生成JVM指令时插入特定的内存屏障指令 ,通过这些内存屏障指令,volatile实现了Java内存模型中的可见性和有序性,但volatile无法保证原子性.
    内存屏障之前的所有写操作都要回写到主内存, 内存屏障之后的所有读操作都能获得内存屏障之前的所有写操作的最新结果(实现了可见性)。
    因此重排序时,不允许把内存屏障之后的指令重排序到内存屏障之前。一句话:对一个 volatile 域的写, happens-before 于任意后续对这个 volatile 域的读,也叫写后读。

    四大屏障

    就是跟踪源码下去到c++代码中的四个方法 loadload(),storestore(),loadstore(),storeload()
    四个方法的含义

    禁止指令重排

    volatile变量规则
  • 当第一个操作为volatile读时,不论第二个操作是什么,都不能重排序。这个操作保证了volatile读之后的操作不会被重排到volatile读之前。
  • 当第二个操作为volatile写时,不论第一个操作是什么,都不能重排序。这个操作保证了volatile写之前的操作不会被重排到volatile写之后。
  • 当第一个操作为volatile写时,第二个操作为volatile读时,不能重排。
    volatile变量规则

    volatile写
  • 在每个 volatile 写操作的前⾯插⼊⼀个 StoreStore 屏障
  • 在每个 volatile 写操作的后⾯插⼊⼀个 StoreLoad 屏障

    volatile读
  • 在每个 volatile 读操作的后⾯插⼊⼀个 LoadLoad 屏障
  • 在每个 volatile 读操作的后⾯插⼊⼀个 LoadStore 屏障

    volatile与内存屏障的四个指令怎么关联的

    编译器编译Java文件到字节码的时候,会把volatile修饰的变量 标记为 flags: ACC_VOLATILE,然后jvm再把字节码生成为机器码的时候 会根据这个标志,根据jmm规范的要求去相应的位置插入内存屏障的四个指令

    可见性

    volatile变量的读写过程

    volatile变量读写过程

  • read: 作用于主内存,将变量的值从主内存传输到工作内存,主内存到工作内存
  • load: 作用于工作内存,将read从主内存传输的变量值放入工作内存变量副本中,即数据加载
  • use: 作用于工作内存,将工作内存变量副本的值传递给执行引擎,每当JVM遇到需要该变量的字节码指令时会执行该操作
  • assign: 作用于工作内存,将从执行引擎接收到的值赋值给工作内存变量,每当JVM遇到一个给变量赋值字节码指令时会执行该操作
  • store: 作用于工作内存,将赋值完毕的工作变量的值写回给主内存
  • write: 作用于主内存,将store传输过来的变量值赋值给主内存中的变量
    由于上述只能保证单条指令的原子性,针对多条指令的组合性原子保证,没有大面积加锁,所以,JVM提供了另外两个原子指令:
  • lock: 作用于主内存,将一个变量标记为一个线程独占的状态,只是写时候加锁,就只是锁了写变量的过程。
  • unlock: 作用于主内存,把一个处于锁定状态的变量释放,然后才能被其他线程占用

    不保证原子性

    read-load-use 和 assign-store-write 成为了两个不可分割的原子操作,但是在use和assign之间依然有极小的一段真空期,有可能变量会被其他线程读取,导致写丢失一次...
    但是无论在哪一个时间点主内存的变量和任一工作内存的变量的值都是相等的。这个特性就导致了volatile变量不适合参与到依赖当前值的运算,如i = i + 1; i++;之类的那么依靠可见性的特点volatile可以用在哪些地方呢? 通常volatile用做保存某个状态的boolean值or int值

    由于volatile变量只能保证可见性,在不符合一下两条规则的运算场景中(使用synchronized,java.util.concurrent中的锁或原子类)来保证原子性:

    • 运算结果并不依赖变量的当前值,或者能确保只有单一的线程修改变量的值
    • 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束
      ----摘自 深入理解Java虚拟机

    DCL双端检索机制

    public class SafeDoubleCheckSingleton
    {
      private volatile static SafeDoubleCheckSingleton singleton;
      //私有化构造方法
      private SafeDoubleCheckSingleton(){
      }
      //双重锁设计
      public static SafeDoubleCheckSingleton getInstance(){
          if (singleton == null){
              //1.多线程并发创建对象时,会通过加锁保证只有一个线程能创建对象
              synchronized (SafeDoubleCheckSingleton.class){
                  if (singleton == null){
                      //隐患:多线程环境下,由于重排序,该对象可能还未完成初始化就被其他线程读取
                      singleton = new SafeDoubleCheckSingleton();
                  }
              }
          }
          //2.对象创建完毕,执行getInstance()将不需要获取锁,直接返回创建对象
          return singleton;
      }
    }

    不加volatile修饰的话会有安全隐患 因为一个对象的初始化赋值分为三步的

  • 分配对象的内存空间
  • 初始化对象
  • 设置instance指向刚分配的内存地址
    其中2,3两步是有可能被指令重排的导致多线程下的单例模式拿到null值, 所以需要用volatile禁止指令的重排序

    最后总结

  • volatile写之前的操作,都禁止重排序到volatile之后
  • volatile读之后的操作,都禁止重排序到volatile之前
  • volatile写之后的volatile读,禁止重排序

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  • Hello Word !

    我发现我的评论功能,加载不了头像!朋友圈和相册也加载不了,音乐播放器也不显示,求解!

  • il: Clark11370

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