深入学习并发编程中的synchronized

news2024/9/26 5:20:20

第一章：并发编程中的三个问题

可见性

可见性概念
可见性（ Visibility ）：是指一个线程对共享变量进行修改，另一个先立即得到修改后的最新值。
可见性演示
案例演示：一个线程根据 boolean 类型的标记 flag ， while 循环，另一个线程改变这个 flag 变量的值，另 一个线程并不会停止循环。
package com . itheima . concurrent_problem ;
/**
案例演示 :
一个线程对共享变量的修改 , 另一个线程不能立即得到最新值
*/
public class Test01Visibility {
// 多个线程都会访问的数据，我们称为线程的共享数据
private static boolean run = true ;
public static void main ( String [] args ) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread (() -> {
while ( run ) {
}
});
t1 . start ();
Thread . sleep ( 1000 );
Thread t2 = new Thread (() -> {
run = false ;
System . out . println ( " 时间到，线程 2 设置为 false" );
});
t2 . start ();
}
}

小结

并发编程时，会出现可见性问题，当一个线程对共享变量进行了修改，另外的线程并没有立即看到修改后的最新值。

原子性

原子性概念
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。
原子性演示
案例演示 :5 个线程各执行 1000 次 i++;
使用 javap 反汇编 class 文件，得到下面的字节码指令：
package com . itheima . demo01_concurrent_problem ;
import java . util . ArrayList ;
/**
案例演示 :5 个线程各执行 1000 次 i++;
*/
public class Test02Atomicity {
private static int number = 0 ;
public static void main ( String [] args ) throws InterruptedException {
Runnable increment = () -> {
for ( int i = 0 ; i < 1000 ; i ++ ) {
number ++ ;
}
};
ArrayList < Thread > 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 ();
}
System . out . println ( "number = " + number );
}
}
其中，对于 number++ 而言（ number 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：
由此可见 number++ 是由多条语句组成，以上多条指令在一个线程的情况下是不会出问题的，但是在多线程情况下就可能会出现问题。比如一个线程在执行13: iadd 时，另一个线程又执 9:getstatic 。会导致两次number++ ，实际上只加了 1 。

小结

并发编程时，会出现原子性问题，当一个线程对共享变量操作到一半时，另外的线程也有可能来操作共享变量，干扰了前一个线程的操作。

有序性

有序性概念
有序性（ Ordering ）：是指程序中代码的执行顺序， Java 在编译时和运行时会对代码进行优化，会导致程序最终的执行顺序不一定就是我们编写代码时的顺序。
有序性演示
jcstress 是 java 并发压测工具。 https://wiki.openjdk.java.net/display/CodeTools/jcstress
修改 pom 文件，添加依赖：
9: getstatic #12 // Field number:I
12: iconst_1
13: iadd
14: putstatic #12 // Field number:I
public static void main ( String [] args ) {
int a = 10 ;
int b = 20 ;
} <dependency>
<groupId> org.openjdk.jcstress </groupId>
<artifactId> jcstress-core </artifactId>
<version> ${jcstress.version} </version>
</dependency>
代码
Test03Orderliness.java
package com . itheima . concurrent_problem ;
import org . openjdk . jcstress . annotations . * ;
import org . openjdk . jcstress . infra . results . I_Result ;
@JCStressTest
@Outcome ( id = { "1" ， "4" } ， expect = Expect . ACCEPTABLE ， desc = "ok" )
@Outcome ( id = "0" ， expect = Expect . ACCEPTABLE_INTERESTING ， desc = "danger" )
@State
public class Test03Orderliness {
int num = 0 ;
boolean ready = false ;
// 线程一执行的代码
@Actor
public void actor1 ( I_Result r ) {
if ( ready ) {
r . r1 = num + num ;
} else {
r . r1 = 1 ;
}
}
// 线程 2 执行的代码
@Actor
public void actor2 ( I_Result r ) {
num = 2 ;
ready = true ;
}
}
Result 是一个对象，有一个属性 r1 用来保存结果，在多线程情况下可能出现几种结果？
情况 1 ：线 程1 先执行 actor1 ，这时 ready = false ，所以进入 else 分支结果为 1 。
情况 2 ：线程 2 执行到 actor2 ，执行了 num = 2; 和 ready = true ，线程 1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4
情况 3 ：线程 2 先执行 actor2 ，只执行 num = 2 ；但没来得及执行 ready = true ，线程 1 执行，还是进入else分支，结果为 1 。
还有一种结果 0 。
运行测试：
mvn clean install
java - jar target / jcstress . jar

小结

程序代码在执行过程中的先后顺序，由于 Java 在编译期以及运行期的优化，导致了代码的执行顺序未必就是开发者编写代码时的顺序。

第二章：Java内存模型(JMM)

在介绍 Java 内存模型之前，先来看一下到底什么是计算机内存模型。

计算机结构简介

冯诺依曼，提出计算机由五大组成部分，输入设备，输出设备存储器，控制器，运算器。
CPU
中央处理器，是计算机的控制和运算的核心，我们的程序最终都会变成指令让 CPU 去执行，处理程序中的数据。
内存
我们的程序都是在内存中运行的，内存会保存程序运行时的数据，供 CPU 处理。
缓存
CPU 的运算速度和内存的访问速度相差比较大。这就导致 CPU 每次操作内存都要耗费很多等待时间。内 存的读写速度成为了计算机运行的瓶颈。于是就有了在CPU 和主内存之间增加缓存的设计。最靠近 CPU 的缓存称为L1 ，然后依次是 L2 ， L3 和主内存， CPU 缓存模型如图下图所示。 CPU Cache 分成了三个级别 : L1 ， L2 ， L3 。级别越小越接近 CPU ，速度也更快，同时也代表着容量越小。

小结

计算机的主要组成 CPU ，内存，输入设备，输出设备。

Java内存模型

Java 内存模型的概念
Java Memory Molde (Java 内存模型 /JMM) ，千万不要和 Java 内存结构混淆
关于 “Java 内存模型 ” 的权威解释，请参考 https://download.oracle.com/otnpub/jcp/memory_model-
1.0-pfd-spec-oth-JSpec/memory_model-1_0-pfd-spec.pdf 。
Java 内存模型，是 Java 虚拟机规范中所定义的一种内存模型， Java 内存模型是标准化的，屏蔽掉了底层 不同计算机的区别。
Java 内存模型是一套规范，描述了 Java 程序中各种变量 ( 线程共享变量 ) 的访问规则，以及在 JVM 中将变量存储到内存和从内存中读取变量这样的底层细节，具体如下。
主内存
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。
工作内存
每一个线程有自己的工作内存，工作内存只存储该线程对共享变量的副本。线程对变量的所有的操
作 ( 读，取 ) 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。
Java 内存模型的作用
Java 内存模型是一套在多线程读写共享数据时，对共享数据的可见性、有序性、和原子性的规则和保障。
CPU 缓存，内存与 Java 内存模型的关系
通过对前面的 CPU 硬件内存架构、 Java 内存模型以及 Java 多线程的实现原理的了解，我们应该已经意识 到，多线程的执行最终都会映射到硬件处理器上进行执行。
但 Java 内存模型和硬件内存架构并不完全一致。对于硬件内存来说只有寄存器、缓存内存、主内存的概 念，并没有工作内存和主内存之分，也就是说Java 内存模型对内存的划分对硬件内存并没有任何影响，因为JMM 只是一种抽象的概念，是一组规则，不管是工作内存的数据还是主内存的数据，对于计算机硬 件来说都会存储在计算机主内存中，当然也有可能存储到CPU 缓存或者寄存器中，因此总体上来说，Java内存模型和计算机硬件内存架构是一个相互交叉的关系，是一种抽象概念划分与真实物理硬件的交叉。
JMM 内存模型与 CPU 硬件内存架构的关系：

小结

Java 内存模型是一套规范，描述了 Java 程序中各种变量 ( 线程共享变量 ) 的访问规则，以及在 JVM 中将变量 存储到内存和从内存中读取变量这样的底层细节，Java 内存模型是对共享数据的可见性、有序性、和原子性的规则和保障。

主内存与工作内存之间的交互目标

了解主内存与工作内存之间的数据交互过程
Java 内存模型中定义了以下 8 种操作来完成，主内存与工作内存之间具体的交互协议，即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之类的实现细节，虚拟机实现时必须保证下面 提及的每一种操作都是原子的、不可再分的。
对应如下的流程图：
注意 :
1. 如果对一个变量执行 lock 操作，将会清空工作内存中此变量的值
2. 对一个变量执行 unlock 操作之前，必须先把此变量同步到主内存中
小结
lock -> read -> load -> use -> assign -> store -> write -> unlock
主内存与工作内存之间的数据交互过程

第三章：synchronized保证三大特性

synchronized 能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码，以达到保证并发安全的效果。
synchronized ( 锁对象 ) {
// 受保护资源

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