【Java】Java多线程之Java内存模型

• Z时代
• 2024-01-10
• 分类：技术分享

    public class TestAtomicity {
private static int number = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable increment = () -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
number++;
}
};
ArrayList<Thread> ts = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread t = new Thread(increment);
t.start();
ts.add(t);
}
for (Thread t : ts) {
t.join();
}
System.out.println("number = " + number);
}
}

9: getstatic #12 // Field number:I
12: iconst_1
13: iadd
14: putstatic #12 // Field number:I

    public class TestVisibility {
private static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while (run) {
}
});
t1.start();
Thread.sleep(1000);
Thread t2 = new Thread(() -> {
run = false;
System.out.println("时间到，线程2设置为false");
});
t2.start();
}
}

为什么要有Java内存模型

Java是运行在Java虚拟机的，相当于在操作系统之上建立的一个虚拟的计算机，Java虚拟机想要做到跨平台，就需要定义一种Java内存模型来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，通过内存模型来保证了并发场景下的一致性、原子性和有序性。

Java内存模型的具体内容

主内存与工作内存

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，每个线程还有自己的工作内存，线程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)都必须在工作内存中进行，而不能直接读写内存中的变量，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。

如图，如果线程想要通信的话要执行一下步骤：
A线程先把工作内存的值写入主内存
B线程从主内存中去读取出A线程写的值

内存间交互操作

1. lock，锁定，所用于主内存变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
2. unlock，解锁，解锁后的变量才能被其他线程锁定。
3. read，读取，所用于主内存变量，它把一个主内存变量的值，读取到工作内存中。
4. load，载入，所用于工作内存变量，它把read读取的值，放到工作内存的变量副本中。
5. use，使用，作用于工作内存变量，它把工作内存变量的值传递给执行引擎，当JVM遇到一个变量读取指令就会执行这个操作。
6. assign，赋值，作用于工作内存变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存变量。
7. store，存储，作用域工作内存变量，它把工作内存变量值传送到主内存中。
8. write，写入，作用于主内存变量，它把store从工作内存中得到的变量值写入到主内存变量中

原子性可见性有序性

Java内存模型的相关操作和规则，是围绕着并发过程中如何处理原子性，可见性，有序性3个特征来建立的。

原子性

    public class TestAtomicity {
private static int number = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Runnable increment = () -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
number++;
}
};
ArrayList<Thread> ts = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread t = new Thread(increment);
t.start();
ts.add(t);
}
for (Thread t : ts) {
t.join();
}
System.out.println("number = " + number);
}
}

使用javap反汇编class文件，得到下面的字节码指令：

9: getstatic #12 // Field number:I
12: iconst_1
13: iadd
14: putstatic #12 // Field number:I

由此可见number++是由多条语句组成，以上多条指令在一个线程的情况下是不会出问题的，但是在多线程情况下就可能会出现问题。比如一个线程在执行13: iadd时，另一个线程又执行9: getstatic。会导致两次number++，实际上只加了1
结论：
并发编程时，会出现原子性问题，当一个线程对共享变量操作到一半时，另外的线程也有可能来操作共享变量，干扰了前一个线程的操作。

可见性

    public class TestVisibility {
private static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
while (run) {
}
});
t1.start();
Thread.sleep(1000);
Thread t2 = new Thread(() -> {
run = false;
System.out.println("时间到，线程2设置为false");
});
t2.start();
}
}

一个线程根据boolean类型的标记flag， while循环，另一个线程改变这个flag变量的值，另 一个线程并不会停止循环。
结论：
并发编程时，会出现可见性问题，当一个线程对共享变量进行了修改，另外的线程并没有立即看到修改后的最新值

有序性

程序代码在执行过程中的先后顺序，由于Java在编译期以及运行期的优化，导致了代码的执行顺序未必就是开发者编写代码时的顺序。

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