一文夯实并发编程的理论基础

来源：网络更新时间：2024-09-24 09:31:33

JMM内存模型

定义

java内存模型（即 java Memory Model，简称JMM），不存在的东西，是一个概念，约定

主要分成两部分来看，一部分叫做主内存，另一部分叫做工作内存。

java当中的共享变量；都放在主内存当中，如类的成员变量（实例变量），还有静态的成员变量（类变量），都是存储在主内存中的。每一个线程都可以访问主内存；
每一个线程都有其自己的工作内存，当线程要执行代码的时候，就必须在工作内存中完成。比如线程操作共享变量，它是不能直接在主内存中操作共享变量的，只能够将共享变量先复制一份，放到线程自己的工作内存当中，线程在其工作内存对该复制过来的共享变量处理完后，再将结果同步回主内存中去。

主内存是所有线程都共享的，都能访问的。所有的共享变量都存储于主内存；共享变量主要包括类当中的成员变量，以及一些静态变量等。局部变量是不会出现在主内存当中的，因为局部变量只能线程自己使用；工作内存每一个线程都有自己的工作内存，工作内存只存储该线程对共享变量的副本。线程对变量的所有读写操作都必须在工作内存中完成，而不能直接读写主内存中的变量，不同线程之间也不能直接访问对方工作内存中的变量；线程对共享变量的操作都是对其副本进行操作，操作完成之后再同步回主内存当中去；

JMM的同步约定:

线程解锁前，必须把共享变量立刻刷回主存
线程加锁前，必须读取主存中的最新值到工作内存中
加锁和解锁是同一把锁

也就是说，JMM是一种抽象的结构，它提供了合理的禁用缓存和禁止重排序的方案来解决可见性、有序性的问题

作用：主要目的就是在多线程对共享变量进行读写时，来保证共享变量的可见性、有序性、原子性；在编程当中是通过两个关键字 synchronized 和 volatile 来保证共享变量的三个特性的。

主内存与工作内存交互

一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存的呢？

Java内存模型中定义了上图中的 8 种操作（橙色箭头）来完成，虚拟机实现时必须保证每一种操作都是原子的、不可再分的。

举个例子：假设现在线程1想要来访问主内存当中的共享变量 x ，即当前主内存中的共享变量x的取值为 boolean x = true；

线程1首先会做一个原子操作叫做Read，读取主内存当中的共享变量x的取值，即 boolean x = true；
接下来就是 Load 操作，把在主内存中读取到的共享变量加载到了工作内存当中（副本）；
接着执行 Use 操作，如果线程1需要对共享变量x进行操作，即会取到从主内存中加载过来的共享变量x的取值去进行一些操作；
操作之后会有一个新的结果返回，假设令这个共享变量的取值变为false，完成 Assign 操作，即给共享变量x赋新值；
操作完成之后；就需要同步回主内存，首先会完成一个 Store 的原子操作，来保存这个处理结果；
接着执行Write操作，即在工作内存中，Assign 赋值给共享变量的值同步到主内存当中，主内存中共享变量取值x由true更改为false。
另外还有两个与锁相关的操作，Lock与unlock，比如说加了synchronized，才会产生有lock与unlock操作；如果对共享变量的操作没有加锁，那么也就不会有lock与unlock操作。

注意：如果对共享变量执行 lock 操作，该线程就会去主内存中获取到共享变量的最新值，刷新工作内存中的旧值，保证可见性；（加锁说明要对这个共享变量进行写操作了，先刷新旧值，再操作新值）对共享变量执行 unlock 操作，必须先把此变量同步回主内存中，再执行 unlock；（因为对共享变量释放锁，接下来其他线程就能访问到这个共享变量，就必须使这个共享变量呈现的是最新值）这两点就是 synchronized为什么能保证“可见性”的原因。

规则：

不允许read、load、store、write操作之一单独出现，也就是read操作后必须load，store操作后必须write。
不允许线程丢弃他最近的assign操作，即工作内存中的变量数据改变了之后，必须告知主存。
不允许线程将没有assign的数据从工作内存同步到主内存。
一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是对变量实施use、store操作之前，必须经过load和assign操作。
一个变量同一时间只能有一个线程对其进行lock操作。多次lock之后，必须执行相同次数unlock才可以解锁。
如果对一个变量进行lock操作，会清空所有工作内存中此变量的值。在执行引擎使用这个变量前，必须重新load或assign操作初始化变量的值。
如果一个变量没有被lock，就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量。
一个线程对一个变量进行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存。

总结

主内存与工作内存之间的数据交互过程（即主内存与工作内存的交互是通过这8个原子操作来保证数据的正确性的）：lock → read → load → use → assign → store → write → unlock

并发编程中的三个问题

线程不安全示例

// 案例演示：5个线程各执行1000次i++操作：
public class Test01Atomicity {
    private static int number = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 5个线程都执行1000次 i++        
        Runnable increment = () -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                number++;
            }
        };        // 5个线程
        ArrayList 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();
        }        
        /* 最终的效果即，加出来的效果不是5000，可能会少于5000        
        那么原因就在于 i++ 并不是一个原子操作        
        下面会通过java反汇编的方式来进行演示和分析，这个 i++ 其实有4条指令    */
        System.out.println("number = " + number);
    }
}

可见性：CPU缓存引起

可见性：是指当一个线程对共享变量进行了修改，那么另外的线程可以立即看到修改后的最新值。

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;
 
//线程2执行的代码
j = i;

假设执行线程1的是CPU1，执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中，然后赋值为10，那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了，却没有立即写入到主存当中。

此时线程2执行 j = i，它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中，注意此时内存当中i的值还是0，那么就会使得j的值为0，而不是10.

解决可见性：

在共享变量前面加上volatile关键字修饰；volatile 的底层实现原理是内存屏障（Memory Barrier），保证了对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障，对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障。
- 写屏障（sfence）保证在写屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中；
- 读屏障（lfence）保证在读屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据；
，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。这是因为synchronized 同步时会对应 JMM 中的 lock 原子操作，lock 操作会刷新工作内存中的变量的值，得到共享内存（主内存）中最新的值，从而保证可见性。
- synchronized 同步的时候会对应8个原子操作当中的 lock 与 unlock 这两个原子操作，lock操作执行时该线程就会去主内存中获取到共享变量最新值，刷新工作内存中的旧值，从而保证可见性。

原子性: 分时复用引起

原子性（Atomicity）: 在一次或多次操作中，要么所有的操作都执行，并且不会受其他因素干扰而中断，要么所有的操作都不执行；

int i = 1;

// 线程1执行
i += 1;

// 线程2执行
i += 1;

这里需要注意的是：i += 1需要三条 CPU 指令

将变量 i 从内存读取到 CPU寄存器；
在CPU寄存器中执行 i + 1 操作；
将最后的结果i写入内存（缓存机制导致可能写入的是 CPU 缓存而不是内存）。

由于CPU分时复用（线程切换）的存在，线程1执行了第一条指令后，就切换到线程2执行，假如线程2执行了这三条指令后，再切换会线程1执行后续两条指令，将造成最后写到内存中的i值是2而不是3。

x = 10;        //语句1: 直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中
y = x;         //语句2: 包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。
x++;           //语句3： x++包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。
x = x + 1;     //语句4： 同语句3

上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。也就是说，只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。

解决原子性：

Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

有序性: 重排序引起

有序性（Ordering）：是指程序代码在执行过程中的先后顺序，由于java在编译器以及运行期的优化，导致了代码的执行顺序未必就是开发者编写代码的顺序。

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2

为什么要重排序？一般会认为编写代码的顺序就是代码最终的执行顺序，那么实际上并不一定是这样的，为了提高程序的执行效率，java在编译时和运行时会对代码进行优化（JIT即时编译器），会导致程序最终的执行顺序不一定就是编写代码时的顺序。重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段；

从 java 源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序：

编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

上述的 1 属于编译器重排序，2 和 3 属于处理器重排序。这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM 的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。对于处理器重排序，JMM 的处理器重排序规则会要求 java 编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（memory barriers，intel 称之为 memory fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。

解决有序性：

可以使用 synchronized 同步代码块来保证有序性；加了synchronized，依然会发生指令重排序（可以看看DCL单例模式），只不过，由于存在同步代码块，可以保证只有一个线程执行同步代码块当中的代码，也就能保证有序性。
给共享变量加volatile关键字来解决有序性问题。
- 写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后；
- 读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前；

Happens-Before 规则

Happens-Before是一种可见性规则，它表达的含义是前面一个操作的结果对后续操作是可见的。解释为 “先行发生于...”

A happens-before B，也就意味着A的执行结果对B是可见的

单一线程（程序顺序）原则

Single Thread rule：在一个线程内，在程序前面的操作先行发生于后面的操作。

as-id-serio 语义

管程锁定（监视器锁）规则

Monitor Lock Rule ：对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁

volatile 变量规则

Volatile Variable Rule：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读

线程启动start规则

Thread Start Rule：Thread 对象的 start() 方法调用先行发生于此线程的每一个动作。

如果线程A执行操作ThreadB.start()(启动线程B)，那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作

线程加入join规则

Thread Join Rule：Thread 对象的结束先行发生于 join() 方法返回。

如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回

线程中断规则

Thread Interruption Rule：对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过 interrupted() 方法检测到是否有中断发生。

对象终结规则

Finalizer Rule：一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的 finalize() 方法的开始。

传递性

Transitivity：如果操作 A 先行发生于操作 B，操作 B 先行发生于操作 C，那么操作 A 先行发生于操作 C。

安全发布对象

发布与逃逸

发布的意思是使一个对象能够被当前范围之外的代码所使用

public static Hashset persons;
public void init(){
    persons = new HashSet;
}

不安全发布：私有数组，但外部范围也能使用，导致不安全发布

private string[] states = {"a","b","c","d"};
//发布出去一个
public string[] getstates(){
    return states;
}

public static void main(string[] args){
    App unSafePub = new App();
    System.out.printIn("Init array is:" + Arrays.tostring(unsafePub.getstates()));
    unsafePub.getstates()[0] = "Seven!";
    System.out.printin("After modify.the array is: " + Arrays.tostring(unsafePub.getstates()));
}

对象溢出：

一种错误的发布，当一个对象还没有构造完成时，就使它被其他线程所见

public cass FinalReferenceEscapeExample {
    final int i;
    static FinalReferenceEscapeExample obj;
    
    public FinalReferenceEscapeExample() {
        i = 1; //1.写fina]域
        obj = this; //2.this 引用"逃逸"
    }
    
    public static void writer() {
        new FinalReferenceEscapeExample();
    }
    public static void reader() {
        if(obj != null){    //3.
            int temp = obj.i;   //4.
        }
    }
}

逃逸带来的问题

安全发布对象的四种方法

在静态初始化函数中初始化一个对象引用
将对象的引用保存到volatile类型的域或者AtomicReference对象中（利用volatile happen-before规则）
将对象的引用保存到某个正确构造对象的final类型域中（初始化安全性）
将对象的引用保存到一个由锁保护的域中（读写都上锁）

线程安全的实现方法

互斥同步

synchronized 和 ReentrantLock。

非阻塞同步

互斥同步最主要的问题就是线程阻塞和唤醒所带来的性能问题，因此这种同步也称为阻塞同步。

互斥同步属于一种悲观的并发策略，总是认为只要不去做正确的同步措施，那就肯定会出现问题。无论共享数据是否真的会出现竞争，它都要进行加锁(这里讨论的是概念模型，实际上虚拟机会优化掉很大一部分不必要的加锁)、用户态核心态转换、维护锁计数器和检查是否有被阻塞的线程需要唤醒等操作。

CAS

随着硬件指令集的发展，我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略: 先进行操作，如果没有其它线程争用共享数据，那操作就成功了，否则采取补偿措施(不断地重试，直到成功为止)。这种乐观的并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞，因此这种同步操作称为非阻塞同步。

乐观锁需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，这里就不能再使用互斥同步来保证了，只能靠硬件来完成。硬件支持的原子性操作最典型的是: 比较并交换(Compare-and-Swap，CAS)。CAS 指令需要有 3 个操作数，分别是内存地址 V、旧的预期值 A 和新值 B。当执行操作时，只有当 V 的值等于 A，才将 V 的值更新为 B。

AtomicInteger

J.U.C 包里面的整数原子类 AtomicInteger，其中的 compareAndSet() 和 getAndIncrement() 等方法都使用了 Unsafe 类的 CAS 操作。

以下代码使用了 AtomicInteger 执行了自增的操作。

private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger();

public void add() {
    cnt.incrementAndGet();
}

以下代码是 incrementAndGet() 的源码，它调用了 unsafe 的 getAndAddInt() 。

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

以下代码是 getAndAddInt() 源码，var1 指示对象内存地址，var2 指示该字段相对对象内存地址的偏移，var4 指示操作需要加的数值，这里为 1。通过 getIntVolatile(var1, var2) 得到旧的预期值，通过调用 compareAndSwapInt() 来进行 CAS 比较，如果该字段内存地址中的值等于 var5，那么就更新内存地址为 var1+var2 的变量为 var5+var4。

可以看到 getAndAddInt() 在一个循环中进行，发生冲突的做法是不断的进行重试。

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

ABA

如果一个变量初次读取的时候是 A 值，它的值被改成了 B，后来又被改回为 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。

J.U.C 包提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference 来解决这个问题，它可以通过控制变量值的版本来保证 CAS 的正确性。大部分情况下 ABA 问题不会影响程序并发的正确性，如果需要解决 ABA 问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

无同步方案

要保证线程安全，并不是一定就要进行同步。如果一个方法本来就不涉及共享数据，那它自然就无须任何同步措施去保证正确性。

栈封闭

多个线程访问同一个方法的局部变量时，不会出现线程安全问题，因为局部变量存储在虚拟机栈中，属于线程私有的。

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class StackClosedExample {
    public void add100() {
        int cnt = 0;
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            cnt++;
        }
        System.out.println(cnt);
    }
}

线程本地存储(Thread Local Storage)

如果一段代码中所需要的数据必须与其他代码共享，那就看看这些共享数据的代码是否能保证在同一个线程中执行。如果能保证，就可以把共享数据的可见范围限制在同一个线程之内，这样，无须同步也能保证线程之间不出现数据争用的问题。

符合这种特点的应用并不少见，大部分使用消费队列的架构模式(如“生产者-消费者”模式)都会将产品的消费过程尽量在一个线程中消费完。其中最重要的一个应用实例就是经典 Web 交互模型中的“一个请求对应一个服务器线程”(Thread-per-Request)的处理方式，这种处理方式的广泛应用使得很多 Web 服务端应用都可以使用线程本地存储来解决线程安全问题。

可以使用 java.lang.ThreadLocal 类来实现线程本地存储功能。

对于以下代码，thread1 中设置 threadLocal 为 1，而 thread2 设置 threadLocal 为 2。过了一段时间之后，thread1 读取 threadLocal 依然是 1，不受 thread2 的影响。

public class ThreadLocalExample {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set(1);
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(threadLocal.get());
            threadLocal.remove();
        });
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            threadLocal.set(2);
            threadLocal.remove();
        });
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

ThreadLocal 从理论上讲并不是用来解决多线程并发问题的，因为根本不存在多线程竞争。

在一些场景 (尤其是使用线程池) 下，由于 ThreadLocal.ThreadLocalMap 的底层数据结构导致 ThreadLocal 有内存泄漏的情况，应该尽可能在每次使用 ThreadLocal 后手动调用 remove()，以避免出现 ThreadLocal 经典的内存泄漏甚至是造成自身业务混乱的风险。