深入理解JVM4——线程安全

浅谈java内存模型

不同的平台，内存模型是不一样的，但是jvm的内存模型规范是统一的。其实java的多线程并发问题最终都会反映在java的内存模型上，所谓线程安全无非是要控制多个线程对某个资源的有序访问或修改。总结java的内存模型，要解决两个主要的问题：可见性和有序性。我们都知道计算机有高速缓存的存在，处理器并不是每次处理数据都是取内存的。JVM定义了自己的内存模型，屏蔽了底层平台内存管理细节，对于java开发人员，要清楚在jvm内存模型的基础上，如果解决多线程的可见性和有序性。
       那么，何谓可见性？ 多个线程之间是不能互相传递数据通信的，它们之间的沟通只能通过共享变量来进行。Java内存模型（JMM）规定了jvm有主内存，主内存是多个线程共享的。当new一个对象的时候，也是被分配在主内存中，每个线程都有自己的工作内存，工作内存存储了主存的某些对象的副本，当然线程的工作内存大小是有限制的。当线程操作某个对象时，执行顺序如下：
 (1) 从主存复制变量到当前工作内存 (read and load)
 (2) 执行代码，改变共享变量值 (use and assign)
 (3) 用工作内存数据刷新主存相关内容 (store and write)

JVM规范定义了线程对主存的操作指令：read，load，use，assign，store，write。当一个共享变量在多个线程的工作内存中都有副本时，如果一个线程修改了这个共享变量，那么其他线程应该能够看到这个被修改后的值，这就是多线程的可见性问题。
        那么，什么是有序性呢 ？线程在引用变量时不能直接从主内存中引用,如果线程工作内存中没有该变量,则会从主内存中拷贝一个副本到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该副本。当同一线程再度引用该字段时,有可能重新从主存中获取变量副本(read-load-use),也有可能直接引用原来的副本(use),也就是说 read,load,use顺序可以由JVM实现系统决定。
        线程不能直接为主存中中字段赋值，它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign),完成后这个变量副本会同步到主存储区(store-write)，至于何时同步过去，根据JVM实现系统决定.有该字段,则会从主内存中将该字段赋值到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该变量副本，当同一线程多次重复对字段赋值时,比如：

for(int i=0;i<10;i++)
a++; 

线程有可能只对工作内存中的副本进行赋值,只到最后一次赋值后才同步到主存储区，所以assign,store,weite顺序可以由JVM实现系统决定。假设有一个共享变量x，线程a执行x=x+1。从上面的描述中可以知道x=x+1并不是一个原子操作，它的执行过程如下：
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x加1
3 将x加1后的值写回主 存
如果另外一个线程b执行x=x-1，执行过程如下：
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x减1
3 将x减1后的值写回主存 
那么显然，最终的x的值是不可靠的。假设x现在为10，线程a加1，线程b减1，从表面上看，似乎最终x还是为10，但是多线程情况下会有这种情况发生：
1：线程a从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x值为10
2：线程b从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x值为10
3：线程a将工作内存中x加1，工作内存中x值为11
4：线程a将x提交主存中，主存中x为11
5：线程b将工作内存中x值减1，工作内存中x值为9
6：线程b将x提交到中主存中，主存中x为9 
同样，x有可能为11，如果x是一个银行账户，线程a存款，线程b扣款，显然这样是有严重问题的，要解决这个问题，必须保证线程a和线程b是有序执行的，并且每个线程执行的加1或减1是一个原子操作。看看下面代码：

Java代码 

1.public class Account {  
2.  
3.    private int balance;  
4.  
5.    public Account(int balance) {  
6.        this.balance = balance;  
7.    }  
8.  
9.    public int getBalance() {  
10.        return balance;  
11.    }  
12.  
13.    public void add(int num) {  
14.        balance = balance + num;  
15.    }  
16.  
17.    public void withdraw(int num) {  
18.        balance = balance - num;  
19.    }  
20.  
21.    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
22.        Account account = new Account(1000);  
23.        Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");  
24.        Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");  
25.        a.start();  
26.        b.start();  
27.        a.join();  
28.        b.join();  
29.        System.out.println(account.getBalance());  
30.    }  
31.  
32.    static class AddThread implements Runnable {  
33.        Account account;  
34.        int     amount;  
35.  
36.        public AddThread(Account account, int amount) {  
37.            this.account = account;  
38.            this.amount = amount;  
39.        }  
40.  
41.        public void run() {  
42.            for (int i = 0; i < 200000; i++) {  
43.                account.add(amount);  
44.            }  
45.        }  
46.    }  
47.  
48.    static class WithdrawThread implements Runnable {  
49.        Account account;  
50.        int     amount;  
51.  
52.        public WithdrawThread(Account account, int amount) {  
53.            this.account = account;  
54.            this.amount = amount;  
55.        }  
56.  
57.        public void run() {  
58.            for (int i = 0; i < 100000; i++) {  
59.                account.withdraw(amount);  
60.            }  
61.        }  
62.    }  
63.}  

第一次执行结果为10200，第二次执行结果为1060，每次执行的结果都是不确定的，因为线程的执行顺序是不可预见的。这是java同步产生的根源，synchronized关键字保证了多个线程对于同步块是互斥的，synchronized作为一种同步手段，解决java多线程的执行有序性和内存可见性，而volatile关键字之解决多线程的内存可见性问题。后面将会详细介绍。

synchronized关键字 
        上面说了，java用synchronized关键字做为多线程并发环境的执行有序性的保证手段之一。当一段代码会修改共享变量，这一段代码成为互斥区或临界区，为了保证共享变量的正确性，synchronized标示了临界区。典型的用法如下：

Java代码 

1.synchronized(锁){
2.     临界区代码
3.}

为了保证银行账户的安全，可以操作账户的方法如下：

Java代码 

1.public synchronized void add(int num) {  
2.     balance = balance + num;  
3.}  
4.public synchronized void withdraw(int num) {  
5.     balance = balance - num;  
6.}  

刚才不是说了synchronized的用法是这样的吗：

Java代码 

1.synchronized(锁){  
2.临界区代码  
3.}  

那么对于public synchronized void add(int num)这种情况，意味着什么呢？其实这种情况，锁就是这个方法所在的对象。同理，如果方法是public  static synchronized void add(int num)，那么锁就是这个方法所在的class。
        理论上，每个对象都可以做为锁，但一个对象做为锁时，应该被多个线程共享，这样才显得有意义，在并发环境下，一个没有共享的对象作为锁是没有意义的。假如有这样的代码：

Java代码 

1.public class ThreadTest{  
2.  public void test(){  
3.     Object lock=new Object();  
4.     synchronized (lock){  
5.        //do something  
6.     }  
7.  }  
8.}  

lock变量作为一个锁存在根本没有意义，因为它根本不是共享对象，每个线程进来都会执行Object lock=new Object();每个线程都有自己的lock，根本不存在锁竞争。
        每个锁对象都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列，就绪队列存储了将要获得锁的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程，当一个线程被唤醒(notify)后，才会进入到就绪队列，等待cpu的调度。当一开始线程a第一次执行account.add方法时，jvm会检查锁对象account的就绪队列是否已经有线程在等待，如果有则表明account的锁已经被占用了，由于是第一次运行，account的就绪队列为空，所以线程a获得了锁，执行account.add方法。如果恰好在这个时候，线程b要执行account.withdraw方法，因为线程a已经获得了锁还没有释放，所以线程b要进入account的就绪队列，等到得到锁后才可以执行。
一个线程执行临界区代码过程如下：
1 获得同步锁
2 清空工作内存
3 从主存拷贝变量副本到工作内存
4 对这些变量计算
5 将变量从工作内存写回到主存
6 释放锁
可见，synchronized既保证了多线程的并发有序性，又保证了多线程的内存可见性。

volatile关键字 
       volatile是java提供的一种同步手段，只不过它是轻量级的同步，为什么这么说，因为volatile只能保证多线程的内存可见性，不能保证多线程的执行有序性。而最彻底的同步要保证有序性和可见性，例如synchronized。任何被volatile修饰的变量，都不拷贝副本到工作内存，任何修改都及时写在主存。因此对于Valatile修饰的变量的修改，所有线程马上就能看到，但是volatile不能保证对变量的修改是有序的。什么意思呢？假如有这样的代码：

Java代码 

1.public class VolatileTest{  
2.  public volatile int a;  
3.  public void add(int count){  
4.       a=a+count;  
5.  }  
6.}  

当一个VolatileTest对象被多个线程共享，a的值不一定是正确的，因为a=a+count包含了好几步操作，而此时多个线程的执行是无序的，因为没有任何机制来保证多个线程的执行有序性和原子性。volatile存在的意义是，任何线程对a的修改，都会马上被其他线程读取到，因为直接操作主存，没有线程对工作内存和主存的同步。所以，volatile的使用场景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:
1)对变量的写操作不依赖于当前值。
2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中 
volatile只保证了可见性，所以Volatile适合直接赋值的场景，如

Java代码 

1.public class VolatileTest{  
2.  public volatile int a;  
3.  public void setA(int a){  
4.      this.a=a;  
5.  }  
6.}  

在没有volatile声明时，多线程环境下，a的最终值不一定是正确的，因为this.a=a;涉及到给a赋值和将a同步回主存的步骤，这个顺序可能被打乱。如果用volatile声明了，读取主存副本到工作内存和同步a到主存的步骤，相当于是一个原子操作。所以简单来说，volatile适合这种场景：一个变量被多个线程共享，线程直接给这个变量赋值。这是一种很简单的同步场景，这时候使用volatile的开销将会非常小。