Java 存储模型和共享对象详解

Z时代
2024-01-10
分类：IT

Java 存储模型和共享对象详解

很多程序员对一个共享变量初始化要注意可见性和安全发布（安全地构建一个对象，并其他线程能正确访问）等问题不是很理解，认为Java是一个屏蔽内存细节的平台，连对象回收都不需要关心，因此谈到可见性和安全发布大多不知所云。其实关键在于对Java存储模型，可见性和安全发布的问题是起源于Java的存储结构。

Java存储模型原理

有很多书和文章都讲解过Java存储模型，其中一个图很清晰地说明了其存储结构：

由上图可知， jvm系统中存在一个主内存(Main Memory或Java Heap Memory)，Java中所有变量都储存在主存中，对于所有线程都是共享的。每条线程都有自己的工作内存(Working Memory)，工作内存中保存的是主存中某些变量的拷贝，线程对所有变量的操作都是在工作内存中进行，线程之间无法相互直接访问，变量传递均需要通过主存完成。

这个存储模型很像我们常用的缓存与数据库的关系，因此由此可以推断JVM如此设计应该是为了提升性能，提高多线程的并发能力，并减少线程之间的影响。

Java存储模型潜在的问题

一谈到缓存，我们立马想到会有缓存不一致性问题，就是说当有缓存与数据库不一致的时候，就需要有相应的机制去同步数据。同理，Java存储模型也有这个问题，当一个线程在自己工作内存里初始化一个变量，当还没来得及同步到主存里时，如果有其他线程来访问它，就会出现不可预知的问题。另外，JVM在底层设计上，对与那些没有同步到主存里的变量，可能会以不一样的操作顺序来执行指令，举个实际的例子：


public class PossibleReordering { 
  static int x = 0, y = 0; 
  static int a = 0, b = 0; 
  public static void main(String[] args) 
      throws InterruptedException { 
    Thread one = new Thread(new Runnable() { 
      public void run() { 
        a = 1; 
        x = b; 
      } 
    }); 
    Thread other = new Thread(new Runnable() { 
      public void run() { 
        b = 1; 
        y = a; 
      } 
    }); 
    one.start(); other.start(); 
    one.join();  other.join(); 
    System.out.println("( "+ x + "," + y + ")"); 
  } 
}

由于，变量x,y,a,b没有安全发布，导致会不以规定的操作顺序来执行这次四次赋值操作，有可能出现以下顺序：

出现这个问题也可以理解，因为既然这些对象不可见，也就是说本应该隔离在各个线程的工作区内，那么对于有些无关顺序的指令，打乱顺序执行在JVM看来也是可行的。

因此，总结起来，会有以下两种潜在问题：

缓存不一致性

重排序执行

解决Java存储模型潜在的问题

为了能让开发人员安全正确地在Java存储模型上编程，JVM提供了一个happens-before原则，有人整理得非常好，我摘抄如下：

在程序顺序中, 线程中的每一个操作, 发生在当前操作后面将要出现的每一个操作之前.

对象监视器的解锁发生在等待获取对象锁的线程之前.

对volitile关键字修饰的变量写入操作, 发生在对该变量的读取之前.

对一个线程的 Thread.start() 调用发生在启动的线程中的所有操作之前.

线程中的所有操作发生在从这个线程的 Thread.join()成功返回的所有其他线程之前.

有了原则还不够，Java提供了以下工具和方法来保证变量的可见性和安全发布：

使用 synchronized来同步变量初始化。此方式会立马把工作内存中的变量同步到主内存中

使用 volatile关键字来标示变量。此方式会直接把变量存在主存中而不是工作内存中

final变量。常量内也是存于主存中

另外，一定要明确只有共享变量才会有以上那些问题，如果变量只是这个线程自己使用，就不用担心那么多问题了

搞清楚Java存储模型后，再来看共享对象可见性和安全发布的问题就较为容易了

共享对象的可见性

当对象在从工作内存同步到主内存之前，那么它就是不可见的。若有其他线程在存取不可见对象就会引发可见性问题，看下面一个例子：


public class NoVisibility { 
  private static boolean ready; 
  private static int number; 
  private static class ReaderThread extends Thread { 
    public void run() { 
      while (!ready) 
        Thread.yield(); 
      System.out.println(number); 
    } 
  } 
  public static void main(String[] args) { 
    new ReaderThread().start(); 
    number = 42; 
    ready = true; 
  } 
}

按照正常逻辑，应该会输出42，但其实际结果会非常奇怪，可能会永远没有输出（因为ready为false），可能会输出0（因为重排序问题导致ready=true先执行）。再举一个更为常见的例子，大家都喜欢用只有set和get方法的pojo来设计领域模型，如下所示：


@NotThreadSafe 
public class MutableInteger { 
  private int value; 
  public int get() { return value; } 
  public void set(int value) { this.value = value; } 
}

但是，当有多个线程同时来存取某一个对象时，可能就会有类似的可见性问题。

为了保证变量的可见性，一般可以用锁、 synchronized关键字、 volatile关键字或直接设置为final

共享变量发布

共享变量发布和我们常说的发布程序类似，就是说让本属于内部的一个变量变为一个可以被外部访问的变量。发布方式分为以下几种：