java 內(nèi)存模型 JMM

JMM定義了一套在多線程讀寫共享數(shù)據(jù)時(shí)（成員變量，數(shù)組）時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)的 可見性、原子性和有序性 的規(guī)則和保障。

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1 java內(nèi)存模型

1.1 原子性

Java對(duì)靜態(tài)變量的自增或者自減（i++，i--）不是原子操作。
i++的字節(jié)碼指令為：(i為靜態(tài)變量，局部變量的話不一樣)

getstatic   i       //獲取靜態(tài)變量i的值
iconst_1            //準(zhǔn)備常量1
iadd                //自增
putstatic   i       //將修改后的值存入靜態(tài)變量i

i--的字節(jié)碼指令為：

getstatic   i       //獲取靜態(tài)變量i的值
iconst_1            //準(zhǔn)備常量1
isub                //自減
putstatic   i       //將修改后的值存入靜態(tài)變量i

java的內(nèi)存模型如下，完成靜態(tài)變量的自增或者自減，需要在主存和線程內(nèi)存中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于多個(gè)線程按照時(shí)間片輪流使用cpu，會(huì)導(dǎo)致切換的時(shí)候值為臟值。

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1.2 可見性

public class Demo4_2 {
    static boolean run = true;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            while (run) {}
        }, "t").start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        run = false;
    }
}

休眠1秒后run置為false后并沒有讓線程停止，這是由于：

  1. 初始狀態(tài)，t線程剛開始從主內(nèi)存讀取了run的值加載到工作內(nèi)存。
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  1. 因?yàn)閠線程要頻繁從主存中讀取run的值，JIT編譯器會(huì)將run的值緩存至自己工作內(nèi)存中的高速緩存中，減少對(duì)主存中run的訪問(wèn)，提高效率。
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  1. 1秒之后，main線程修改了run值，并同步至主存，而t是從自己的工作內(nèi)存中的告訴緩存中讀取run，結(jié)果永遠(yuǎn)是舊值。
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  1. 解決方式：
  • 可以通過(guò)添加volatile（保證可見性，不保證原子性，禁止指令重排）解決。
  • 在while中加入System.out.println();也能保證結(jié)束，這是由于輸出語(yǔ)句底層采用了synchronized關(guān)鍵字，保證了原子性與可見性，強(qiáng)制了t線程從主存中讀取。

1.3 有序性

主要是因?yàn)榇嬖?指令重排，同樣可以通過(guò)volatile來(lái)禁止指令重排。

2 CAS與原子類

2.1 CAS

CAS即 Compare and Swap，體現(xiàn)樂(lè)觀鎖的思想。

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獲取共享變量時(shí)，為了保證變量的可見性，需要使用volatile修飾。結(jié)合CAS和volatile可以實(shí)現(xiàn)無(wú)鎖并發(fā)，適用于競(jìng)爭(zhēng)不激烈、多核CPU的場(chǎng)景下。

  • 因?yàn)闆]有使用synchronized，所以線程不會(huì)陷入阻塞，這是效率提升的因素之一
  • 但如果競(jìng)爭(zhēng)激烈，重試必然頻繁發(fā)生，反而效率會(huì)受影響

CAS底層依賴于一個(gè)Unsafe類來(lái)直接調(diào)用操作系統(tǒng)底層的CAS指令。

2.2 樂(lè)觀鎖與悲觀鎖

java中的樂(lè)觀鎖其實(shí)就是CAS，悲觀鎖就是synchronized。

  • CAS集于樂(lè)觀鎖的思想：最樂(lè)觀的估計(jì)，不怕別的線程來(lái)修改共享變量，就算改了也沒有關(guān)系，我吃虧點(diǎn)在重試。
  • synchronized是基于悲觀鎖的思想：最悲觀的估計(jì)，得放著其他線程來(lái)修改共享變量，我上了鎖你們都別想改，我改完了釋放鎖你們才能改。

2.3 原子操作類

juc（java.until.concurrent）中提供了原子操作類，可以提供線程安全的操作，例如：AtomicInteger、AtomicBoolean等，它們底層就是采用CAS技術(shù)+volatile來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

但是CAS會(huì)存在ABA問(wèn)題。

3 synchronized

java HotSpot虛擬機(jī)中，每個(gè)對(duì)下你個(gè)都有對(duì)象頭（包括class指針和Mark Word）。Mark Word平時(shí)存儲(chǔ)該對(duì)象的 哈希碼、分代年齡，當(dāng)加鎖時(shí)，這些信息就根據(jù)情況被替換為 標(biāo)記位、線程鎖記錄指針、重量級(jí)鎖指針、線程ID等內(nèi)容。

3.1 輕量級(jí)鎖

多個(gè)線程交替執(zhí)行，不存在競(jìng)爭(zhēng)，那么可以使用輕量級(jí)鎖進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 鎖膨脹

如果在嘗試加輕量級(jí)鎖的過(guò)程中，CAS操作無(wú)法成功，這時(shí)一種情況就是有其他線程為此對(duì)象加上了輕量級(jí)鎖（有競(jìng)爭(zhēng)），這時(shí)需要進(jìn)行鎖膨脹，將輕量級(jí)鎖變?yōu)橹亓考?jí)鎖。

3.3 重量鎖

重量級(jí)鎖競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)候，還可以使用自旋來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，如果當(dāng)前線程自旋成功（即這時(shí)候持鎖線程已經(jīng)退出了同步塊，釋放了鎖），這時(shí)當(dāng)前線程就可以避免阻塞。

在Java6之后自旋鎖是自適應(yīng)的，比如對(duì)象剛剛的一次自旋操作成功過(guò)，那么認(rèn)為這次自旋成功的可能性會(huì)高，就多自旋幾次；反之，就少自旋甚至不自旋，總之，比較智能。

  • 自旋會(huì)占用CPU時(shí)間，單核CPU自旋就是浪費(fèi)時(shí)間，多核CPU自旋才能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。
  • 好比等紅燈時(shí)汽車是不是熄火，不熄火相當(dāng)于自旋（等待時(shí)間短了劃算），熄火了相當(dāng)于阻塞（等待時(shí)間長(zhǎng)了劃算）。
  • Java7后不能控制是否開啟自旋功能。

3.4 偏向鎖

輕量級(jí)鎖在沒有競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，每次重入仍然需要執(zhí)行CAS操作。Java6中引入了偏向鎖來(lái)做進(jìn)一步優(yōu)化：只有第一次使用CAS將線程ID設(shè)置到對(duì)象的Mark Word頭，之后發(fā)現(xiàn)這個(gè)線程ID是自己的就表示沒有競(jìng)爭(zhēng)，不用重新CAS。

  • 撤銷偏向需要將持鎖線程升級(jí)為輕量級(jí)鎖，這個(gè)過(guò)程中所有線程需要暫停（STW）
  • 訪問(wèn)對(duì)象的hashCode也會(huì)撤銷偏向鎖
  • 如果對(duì)象雖然被多個(gè)線程訪問(wèn)，但沒有競(jìng)爭(zhēng)，這時(shí)偏向了線程T1的對(duì)象仍有機(jī)會(huì)重新偏向T2，重偏向會(huì)重置對(duì)象的Thread ID
  • 撤銷偏向和重偏向都是批量進(jìn)行的，以類為單位
  • 如果撤銷偏向達(dá)到某個(gè)閾值，整個(gè)類的所有對(duì)象都會(huì)變?yōu)椴豢善虻?/li>
  • 可以主動(dòng)使用 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向鎖

3.5 其他優(yōu)化

3.5.1 減少上鎖時(shí)間

同步代碼塊中盡量短

3.5.2 減少鎖的粒度

將一個(gè)鎖拆分為多個(gè)鎖提高并發(fā)度，如：

  • ConcurrentHashMap
  • LongAdder 分為base和cells兩部分。沒有并發(fā)爭(zhēng)用的時(shí)候或者是cells數(shù)組正在初始化的時(shí)候，會(huì)使用CAS來(lái)累加值到base，有并發(fā)爭(zhēng)用，會(huì)初始化cells數(shù)組，數(shù)組有多好個(gè)cell，就允許有多少線程并行修改，最后將數(shù)組中每個(gè)cell累加，在加上base就是最終的值
  • LinkedBlockingQueue 入隊(duì)和出隊(duì)使用不同的鎖，想對(duì)于LinkedBlockingArray只有一個(gè)鎖效率更高

3.5.3 鎖粗化

多次循環(huán)進(jìn)入同步塊不如同步塊內(nèi)多次循環(huán)
另外JVM可能會(huì)做如下優(yōu)化，把多次append的加鎖操作粗化為一次（因?yàn)槎际菍?duì)同一個(gè)對(duì)象加鎖，沒必要重入多次）

new StringBuffer().append("a").append("b").append("c");

3.5.4 鎖消除

JVM會(huì)進(jìn)行代碼的逃逸分析，例如某個(gè)加鎖對(duì)象是方法內(nèi)的局部變量，不會(huì)被其他線程所訪問(wèn)到，這時(shí)候就會(huì)被即時(shí)編譯器忽略掉所有的同步操作。

3.5.5 讀寫分離

CopyOnWriteArrayList
ConvOnWriteSet

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