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jdk源码阅读-内存模型

为了让程序员忽略掉各种硬件和操作系统的内存访问差异, 也既无需关心不同架构上内存模型的差异, Java 在代码和硬件内存模型间又提供了一个 Java 内存模型。

并发模型的分类

在并发编程中,需要处理两个关键问题:线程之间如何通信(线程之间以何种机制来交换信息, 有两种方式:共享内存和消息传递)及线程之间如何同步。

在共享内存的并发模型里(如 Java),线程之间共享程序的公共状态,线程之间通过写-读内存中的公共状态(主存)来隐式(对程序员透明)进行通信。在消息传递的并发模型里,线程之间没有公共状态,线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信。

同步是指程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。在共享内存并发模型里,同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行。在消息传递的并发模型里,由于消息的发送必须在消息的接收之前,因此同步是隐式进行的。

虽然 Java 是共享内存并发模型, 对程序员透明, 但是不理解 Java 内存模型, 就会对内存可见性, 有序性等问题出现时找不到解决方法。

Java 虚拟机运行时数据区

虚拟机栈描述的是 Java 执行的内存模型: 每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧(Stack Frame)用于存储局部变量表、 操作数栈、 动态链接、 方法出口等信息。

Java 内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则, 既在虚拟机中对变量的读写操作, 监视器的加锁和释放操作, 以及线程的启动和合并操作。

原子性、 可见性和有序性

Java 内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、 可见性和有序性来建立的。

原子性: 操作不可再分。 如在 Java 代码中使用 synchronized 和 ReentrantLock 来保障。
可见性: A 线程操作, 对 B 线程可见, 既 A 变量赋值 1, B 线程能看见变量已经变为 1。 synchronized 、final、 volatile 和 ReentrantLock 都能提供。
有序性: 在本线程内观察, 所有操作都是有序的(线程内表现为串行语义); 如果在另一个线程中观察另一个线程, 所有操作都是无序的(指令重排序与工作内存与主内存同步延迟)。synchronized 、 volatile 和 ReentrantLock 都能提供有序性保证。

从上述可以得出 synchronized 和 ReentrantLock 是万能的, 但是效率却有巨大的差别, ReentrantLock 会比 synchronized 好很多, ConcurrentHashMap 的源码实现中就利用了 ReentrantLock 分段锁来提升并发安全和效率。

Happens-Before 规则

要保证 A 线程看到 B线程的操作结果(无论 A 和 B 是否在同一线程中执行), 那么 A 和 B 之间必须满足 Happens-Before 关系。
Happens-Before 规则如下:

  1. 序次序规则(Program Order Rule):程序中 操作 A 在操作 B 之前, 那么在线程中 A 操作将在 B 操作之前进行。
  2. 管程锁定规则(Monitor Lock Rule):一个 unlock 操作 happen—before 后面(时间上的先后顺序,下同)对同一个锁的 lock 操作。
  3. volatile 变量规则:对一个 volatile 变量的写操作 happen—before 后面对该变量的读操作。
  4. 线程启动规则:Thread 对象的 start() 方法 happen—before 此线程的每一个动作。
  5. 线程终止规则:线程的所有操作都 happen—before 对此线程的终止检测,可以通过 Thread.join() 方法结束、Thread.isAlive() 的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
  6. 线程中断规则:对线程 interrupt() 方法的调用 happen—before 发生于被中断线程的代码检测到中断时事件的发生。
  7. 终结器规则(Finalizer Rule):一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)happen—before 它的 finalize() 方法的开始。
  8. 传递性:如果操作A happen—before 操作 B,操作 B happen—before 操作 C,那么可以得出 A happen—before 操作 C。
  9. 如果两个操作间缺乏 Happens-Before 关系, 那么 JVM 可以对它们进行任意排序。

鸣谢

wenniuwuren

文章目录
  1. 1. 并发模型的分类
  2. 2. Java 虚拟机运行时数据区
  3. 3. 原子性、 可见性和有序性
  4. 4. Happens-Before 规则
  5. 5. 鸣谢
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