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小白也能看重庆定制软件开发_重庆定制软件开发_懂的Java内存模型

阅读: 3 发表于 2021-04-07 04:30

 

  Java并发编程系列开坑了,重庆定制软件开发_重庆定制软件开发_Java并发编程可以说是中高级研发工程师的必备素养,也是中高级岗位面试必问的问题,本系列就是为了带读者们系统的一步一步击破Java并发编程各个难点,打破屏障,在面试中所向披靡,拿到心仪的offer,Java并发编程系列文章依然采用图文并茂的风格,让小白也能秒懂。

  Java内存模型(Java Memory Model)简称J M M,作为Java并发编程系列的开篇,它是Java并发编程的基础知识,理解它能让你更好地明白线程安全到底是怎么一回事

  内容大纲
硬件内存模型

  程序是指令与数据的集合,手机软件开发定制_手机软件开发定制_计算机执行程序时,是C P U在执行每条指令,因为C P U要从内存读指令,又要根据指令指示去内存读写数据做运算,所以执行指令就免不了与内存打交道,早期内存读写速度与C P U处理速度差距不大,倒没什么问题。

  C P U缓存

  随着C P U技术快速发展,C P U的速度越来越快,内存却没有太大的变化,导致内存的读写(IO)速度与C P U的处理速度差距越来越大,为了解决这个问题,合肥定制软件开发_合肥定制软件开发_引入了缓存(Cache)的设计,在C P U与内存之间加上缓存层,这里的缓存层就是指C P U内的寄存器与高速缓存(L1,L2,L3)

  

  从上图中可以看出,寄存器最快,主内最慢,越快的存储空间越小,离C P U越近,相反存储空间越大速度越慢,离C P U越远。

  C P U如何与内存交互

  C P U运行时,会将指令与数据从主存复制到缓存层,后续的读写与运算都是基于缓存层的指令与数据,定制oa软件开发_定制oa软件开发_运算结束后,再将结果从缓存层写回主存。

  

  上图可以看出,C P U基本都是在和缓存层打交道,采用缓存设计弥补主存与C P U处理速度的差距,这种设计不仅仅体现在硬件层面,在日常开发中,那些并发量高的业务场景都能看到,但是凡事都有利弊,缓存虽然加快了速度,同样也带来了在多线程场景存在的缓存一致性问题,关于缓存一致性问题后面会说,哪里有定制软件开发_哪里有定制软件开发_这里大家留个印象。

  Java内存模型

  Java内存模型(Java Memory Model,J M M),后续都以J M M简称,J M M 是建立在硬件内存模型基础上的抽象模型,并不是物理上的内存划分,简单说,为了使Java虚拟机(Java Virtual Machine,J V M)在各平台下达到一致的内存交互效果,需要屏蔽下游不同硬件模型的交互差异,统一规范,为上游提供统一的使用接口。

  J M M是保证J V M在各平台下对计算机内存的交互都能保证效果一致的机制及规范

  
抽象结构

  J M M抽象结构划分为线程本地缓存与主存,软件开发与定制公司_软件开发与定制公司_每个线程均有自己的本地缓存,本地缓存是线程私有的,主存则是计算机内存,它是共享的。

  

  不难发现J M M与硬件内存模型差别不大,可以简单地把线程类比成Core核心线程本地缓存类比成缓存层,如下图所示

  

  虽然内存交互规范好了,但是多线程场景必然存在线程安全问题(竞争共享资源),为了使多线程能正确地同步执行,就需要保证并发的三大特性可见性、原子性、有序性

  可见性

  当一个线程修改了共享变量的值,其他线程能够立即得知这个修改,erp软件开发定制_erp软件开发定制_这就是可见性,如果无法保证,就会出现缓存一致性的问题,J M M规定,所有的变量都放在主存中,当线程使用变量时,先从缓存中获取,缓存未命中,再从主存复制到缓存,最终导致线程操作的都是自己缓存中的变量。

  

  线程A执行流程

  

线程A从缓存获取变量a

缓存未命中,从主存复制到缓存,软件定制软件开发_软件定制软件开发_此时a是0

线程A获取变量a,执行计算

计算结果1,写入缓存

计算结果1,写入主存

  线程B执行流程

  

线程B从缓存获取变量a

缓存未命中,从主存复制到缓存,此时a是1

线程B获取变量a,执行计算

计算结果2,写入缓存

计算结果2,写入主存

  A、B两个线程执行完后,线程A与线程B缓存数据不一致,这就是缓存一致性问题系统软件开发定制_系统软件开发定制_一个是1,另一个是2,如果线程A再进行一次+1操作,写入主存的还是2,也就是说两个线程对a共进行了3次+1,期望的结果是3,最终得到的结果却是2。

  解决缓存一致性问题,就要保证可见性,思路也很简单,变量写入主存后,把其他线程缓存的该变量清空,定制软件开发是什么_定制软件开发是什么_这样其他线程缓存未命中,就会去主存加载。

  

  线程A执行流程

  

线程A从缓存获取变量a

缓存未命中,从主存复制到缓存,此时a是0

线程A获取变量a,执行计算

计算结果1,写入缓存

计算结果1,写入主存,并清空线程B缓存a变量

  线程B执行流程

  

线程B从缓存获取变量a

缓存未命中,从主存复制到缓存,此时a是1

线程B获取变量a,执行计算

计算结果2,写入缓存

计算结果2,写入主存,并清空线程A缓存a变量

  A、B两个线程执行完后,线程A缓存是空的,此时线程A再进行一次+1操作,会从主存加载(先从缓存中获取,缓存未命中,再从主存复制到缓存)得到2,最后写入主存的是3,Java中提供了volatile修饰变量保证可见性(本文重点是J M M,所以不会对volatile做过多的解读)。

  看似问题都解决了,然而上面描述的场景是建立在理想情况(线程有序的执行),实际中线程可能是并发(交替执行),也可能是并行,只保证可见性仍然会有问题,所以还需要保证原子性

  原子性

  原子性是指一个或者多个操作在C P U执行的过程中不被中断的特性,要么执行,要不执行,不能执行到一半,为了直观的了解什么是原子性,看看下面这段代码

  int a=0;a++;

原子性操作:int a=0只有一步操作,就是赋值

非原子操作:a++有三步操作,读取值、计算、赋值

  如果多线程场景进行a++操作,仅保证可见性,没有保证原子性,同样会出现问题。

  

  并发场景(线程交替执行)

  

线程A读取变量a到缓存,a是0

进行+1运算得到结果1

切换到B线程

B线程执行完整个流程,a=1写入主存

线程A恢复执行,把结果a=1写入缓存与主存

最终结果错误

  并行场(线程同时执行)

  

线程A与线程B同时执行,可能线程A执行运算+1的时候,线程B就已经全部执行完成,也可能两个线程同时计算完,同时写入,不管是哪种,结果都是错误的。

  为了解决此问题,只要把多个操作变成一步操作,即保证原子性

  

  Java中提供了synchronized(同时满足有序性、原子性、可见性)可以保证结果的原子性(注意这里的描述),synchronized保证原子性的原理很简单,因为synchronized可以对代码片段上锁,防止多个线程并发执行同一段代码(本文重点是J M M,所以不会对synchronized做过多的解读)。

  

  并发场景(线程A与线程B交替执行)

  

线程A获取锁成功

线程A读取变量a到缓存,进行+1运算得到结果1

此时切换到了B线程

线程B获取锁失败,阻塞等待

切换回线程A

线程A执行完所有流程,主存a=1

线程A释放锁成功,通知线程B获取锁

线程B获取锁成功,读取变量a到缓存,此时a=1

线程B执行完所有流程,主存a=2

线程B释放锁成功

  并行场景

  

线程A获取锁成功

线程B获取锁失败,阻塞等待

线程A读取变量a到缓存,进行+1运算得到结果1

线程A执行完所有流程,主存a=1

线程A释放锁成功,通知线程B获取锁

线程B获取锁成功,读取变量a到缓存,此时a=1

线程B执行完所有流程,主存a=2

线程B释放锁成功

  synchronized对共享资源代码段上锁,达到互斥效果,天然的解决了无法保证原子性、可见性、有序性带来的问题。

  虽然在并行场A线程还是被中断了,切换到了B线程,但它依然需要等待A线程执行完毕,才能继续,所以结果的原子性得到了保证。

  有序性

  在日常搬砖写代码时,可能大家都以为,程序运行时就是按照编写顺序执行的,但实际上不是这样,编译器和处理器为了优化性能,会对代码做重排,所以语句实际执行的先后顺序与输入的代码顺序可能一致,这就是指令重排序

  可能读者们会有疑问“指令重排为什么能优化性能?”,其实C P U会对重排后的指令做并行执行,达到优化性能的效果。

  重排序前的指令

  

  重排序后的指令

  

  重排序后,对a操作的指令发生了改变,节省了一次Load a和Store a,达到性能优化效果,这就是重排序带来的好处。

  重排遵循as-if-serial原则,编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序,因为这种重排序会改变执行结果(即不管怎么重排序,单线程程序的执行结果不能被改变),下面这种情况,就属于数据依赖。

  int i = 10int j = 10//这就是数据依赖,int i 与 int j 不能排到 int c下面去int c = i + j

  但也仅仅只是针对单线程,多线程场景可没这种保证,假设A、B两个线程,线程A代码段无数据依赖,线程B依赖线程A的结果,如下图(假设保证了可见性

  

  禁止重排场景(i默认0)

  

线程A执行i = 10

线程A执行b = true

线程B执行if( b )通过验证

线程B执行i = i + 10

最终结果i是20

  重排场景(i默认0)

  

线程A执行b = true

线程B执行if( b )通过验证

线程B执行i = i + 10

线程A执行i = 10

最终结果i是10

  为解决重排序,使用Java提供的volatile修饰变量同时保证可见性、有序性,被volatile修饰的变量会加上内存屏障禁止排序(本文重点是J M M,所以不会对volatile做过多的解读)。

  三大特性的保证

  特性

  volatile

  synchronized

  Lock

  Atomic

  可见性

  可以保证

  可以保证

  可以保证

  可以保证

  原子性

  无法保证

  可以保证

  可以保证

  可以保证

  有序性

  一定程度保证

  可以保证

  可以保证

  无法保证

  关于我

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