多线程之二：java内存模型和线程安全

整理自炼数成金

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1.线程安全是什么：

    指某个函数、函数库在多线程环境中被调用时，能够正确地处理各个线程的局部变量，使程序功 能正确完成。

2.内存模型

    – 每一个线程有一个工作内存和主存独立

    – 工作内存存放主存中变量的值的拷贝

       

    当数据从主内存复制到工作存储时，必须出现两个动作：第一，由主内存执行的读（read）操作；第二，由工作内存执行的相应的load操作；当数据从工作内存拷贝到主内存时，也出现两个操作：第一个，由工作内存执行的存储（store）操作；第二，由主内存执行的相应的写（write）操作。

    对于普通变量，一个线程中更新的值，不能马上反应在其他变量中

    如果需要在其他线程中立即可见，需要使用 volatile 关键字

 

3.由于内存模型而引出线程安全的一些特性：

    – 原子性

        原子性是指一个操作是不可中断的。即使是在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就 不会被其它线程干扰。而且CPU执行指令是一条一条的，所以在应用里同时对一个对象进行读写，都不会影响一致性。

    – 可见性

        一个线程修改了变量，其他线程可以立即知道。

    – 保证可见性的方法

        – volatile

        – synchronized （unlock之前，写变量值回主存）

        – final(一旦初始化完成，其他线程就可见)

    – 有序性

    在本线程内，操作都是有序的

    在线程外观察，操作都是无序的。（指令重排 或 主内存同步延时）

指令重排

    - 指令重排是JVM对字节码执行的一个优化

    - 一条指令的执行是可以分为很多步骤的

        – 取指 IF

        – 译码和取寄存器操作数 ID

        – 执行或者有效地址计算 EX

        – 存储器访问 MEM

        – 写回 WB

    该语句需要9步才可以执行完，

         

    我们看下以下语句的指令正常的执行步骤

        a=b+c

        d=e-f

    从该图可以看出，这2条语句需要执行14步

         

 

    我们再看下通过指令重排的执行步骤

    从该图可以看出，重排后只需要12步就可以执行完

         

    - 指令重排的好处

        可以使流水线更加顺畅

    减轻处理压力，加快处理时间

 

    - 线程内串行语义

        • 写后读 a = 1;b = a; 写一个变量之后，再读这个位置。

        • 写后写 a = 1;a = 2; 写一个变量之后，再写这个变量。

        • 读后写 a = b;b = 1; 读一个变量之后，再写这个变量。

        • 以上语句不可重排

        • 编译器不考虑多线程间的语义

        • 可重排： a=1;b=2;

    -破坏线程间的有序性

        线程A首先执行writer()方法

        线程B线程接着执行reader()方法

        线程B在int i=a+1 是不一定能看到a已经被赋值为1

        因为在writer中，两句话顺序可能打乱

    -保证有序性的方法

        

        同步后，即使做了writer重排，因为互斥的缘故，reader 线程看writer线程也是顺序执行的。

    -指令重排的基本原则

        – 程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性

        – volatile规则：volatile变量的写，先发生于读

        – 锁规则：解锁(unlock)必然发生在随后的加锁(lock)前

        – 传递性：A先于B，B先于C 那么A必然先于C

        – 线程的start方法先于它的每一个动作

        – 线程的所有操作先于线程的终结（Thread.join()）

        – 线程的中断（interrupt()）先于被中断线程的代码

    对象的构造函数执行结束先于finalize()方法