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Java内存模型和内存间的交互操作

Java内存模型

内存间的交互操作

内存间交互操作的规则

volatile特性

多线程中的可见性

volatile

指令重排原理和规则

指令重排

指令重排的基本规则

多线程中的有序性

线程安全处理

锁优化

锁优化之自旋锁与自适应自旋

锁优化之锁消除

锁优化之锁粗化

锁优化之轻量级锁

锁优化之偏向锁

JVM中获取锁的步骤

同步代码的基本规则

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• Java内存模型和内存间的交互操作

• Java内存模型

• JCP定义了一种Java内存模型，以前是在JVM规范中，后来独立出来成为JSR-133(Java内存模型和线程规范修订)
• 内存模型：
  • 在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象
• Java内存模型主要关注JVM中把变量值存储到内存和从内存中取出变量值这样的底层细节

  

• 所有变量(共享的)都存储在主内存中，每个线程都有自己的工作内存
• 工作内存中保存该线程使用到的变量的主内存副本拷贝
• 线程对变量的所有操作(读、写)都应该在工作内存中完成
• 不同线程不能相互访问工作内存，交互数据要通过主内存

• 内存间的交互操作

• Java内存模型规定了一些操作来实现内存间交互，JVM会保证它们是原子的
• lock：锁定，把变量标识为线程独占，作用于主内存变量
• unlock：解锁，把锁定的变量释放，别的线程才能使用，作用于主内存变量
• read：读取，把变量值从主内存读取到工作内存
• load：载入，把read读取到的值放入工作内存的变量副本中
• use：使用，把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎
• assign：赋值，把从执行引擎接收到的值赋给工作内存里面的变量
• store：存储，把工作内存中一个变量的值传递到主内存中
• write：写入，把store进来的数据存放进主内存的变量中

  

• 内存间交互操作的规则

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，以上两个操作必须按顺序执行，但不保证连续执行
• 也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其它指令的
• 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存
• 不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从线程的工作内存同步回主内存中
• 一个新的变量只能从主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化的变量
• 也就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作
• 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其执行lock操作，但lock操作可以被同一个条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁
• 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，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值
• 如果一个变量没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作，也不能unlock一个被其他线程锁定的变量
• 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存(执行store和write操作)

• volatile特性

• 多线程中的可见性

• 可见性：就是一个线程修改了变量，其他线程可以知道
• 保证可见性的常见方法：volatile、synchronized、final(一旦初始化完成，其他线程就可见)

• volatile

• volatile基本上是JVM提供的最轻量级的同步机制，用volatile修饰的变量，对所有的线程可见，即对volatile变量所做的写操作能立即反映到其它线程中
• 用volatile修饰的变量，在多线程环境下仍然是不安全的
• volatile修饰的变量，是禁止指令重排优化的
• 适合使用volatile的场景：
  • 运算结果不依赖变量的当前值
  • 或者能确保只有一个线程修改变量的值

• 指令重排原理和规则

• 指令重排

• 指的是JVM为了优化，在条件允许的情况下，对指令进行一定的重新排列，直接运行当前能够立即执行的后续指令，避开获取下一条指令所需数据造成的等待
• 线程内串行语义，不考虑多线程间的语义
• 不是所有的指令都能重排，比如：
  • 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，但是a = 1；b = 2；是可以重排的

• 指令重排的基本规则

• 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

• 多线程中的有序性

• 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，因为存在指令重排或主内存同步延时

• 线程安全处理

• 不可变是线程安全的
• 互斥同步(阻塞同步)：synchronized、java.util.concurrent.ReentrantLock
• 目前这两个方法性能已经差不多了，建议优先选用synchronized
• ReentrantLock增加了如下特性：
• 等待可中断：
  • 当持有锁的线程长时间不释放锁，正在等待的线程可以选择放弃等待
• 公平锁：
  • 多个线程等待同一个锁时，须严格按照申请锁的时间顺序来获得锁
• 锁绑定多个条件：
  • 一个ReentrantLock对象可以绑定多个condition对象，而synchronized是针对一个条件的，如果要多个，就得有多个锁
• 非阻塞同步：
  • 是一种基于冲突检查的乐观锁的策略，通常是先操作，如果没有冲突，操作就成功了，有冲突再采取其它方式进行补偿处理
• 无同步方案：
  • 其实就是在多线程中，方法并不涉及共享数据，自然也就无需同步了

• 锁优化

• 锁优化之自旋锁与自适应自旋

• 自旋：
  • 如果线程可以很快获得锁，那么可以不在OS层挂起线程，而是让线程做几个忙循环，这就是自旋
• 自适应自旋：
  • 自旋的时间不再固定，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间和锁的拥有者状态来决定
• 如果锁被占用时间很短，自旋成功，那么能节省线程挂起、以及切换时间，从而提升系统性能
• 如果锁被占用时间很长，自旋失败，会白白耗费处理器资源，降低系统性能

• 锁优化之锁消除

• 在编译代码的时候，检测到根本不存在共享数据竞争，自然也就无需同步加锁了
• 通过-XX:+EliminateLocks来开启
• 同时要使用-XX:+DoEscapeAnalysis开启逃逸分析
• 所谓逃逸分析：
  • (1)如果一个方法中定义的一个对象，可能被外部方法引用，称为方法逃逸
  • (2)如果对象可能被其它外部线程访问，称为线程逃逸，比如赋值给类变量或者可以在其它线程中访问的实例变量

• 锁优化之锁粗化

• 通常都要求同步块要小，但一系列连续的操作导致对一个对象反复的加锁和解锁，这会导致不必要的性能损耗
• 这种情况建议把锁同步的范围加大到整个操作序列

• 锁优化之轻量级锁

• 轻量级是相对于传统锁机制而言，本意是没有多线程竞争的情况下，减少传统锁机制使用OS实现互斥所产生的性能损耗
• 其实现原理很简单，就是类似乐观锁的方式
• 如果轻量级锁失败，表示存在竞争，升级为重量级锁，导致性能下降

• 锁优化之偏向锁

• 偏向锁是在无竞争情况下，直接把整个同步消除了，连乐观锁都不用，从而提高性能
• 所谓的偏向，就是偏心，即锁会偏向于当前已经占有锁的线程
• 只要没有竞争，获得偏向锁的线程，在将来进入同步块，也不需要做同步
• 当有其它线程请求相同的锁时，偏向模式结束
• 如果程序中大多数锁总是被多个线程访问的时候，也就是竞争比较激烈，偏向锁反而会降低性能
• 使用-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁，默认开启

• JVM中获取锁的步骤

• 会先尝试偏向锁；然后尝试轻量级锁
• 再然后尝试自旋锁
• 最后尝试普通锁，使用OS互斥量在操作系统层挂起

• 同步代码的基本规则

• 尽量减少锁持有的时间
• 尽量减小锁的粒度