java内在模型与多线程关系

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：

Java代码  

1.for(inti=0;i<10;i++)  

2.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.publicclassAccount{  

2.  

3.    privateintbalance;  

4.  

5.    publicAccount(intbalance){  

6.        this.balance=balance;  

7.    }  

8.  

9.    publicintgetBalance(){  

10.        returnbalance;  

11.    }  

12.  

13.    publicvoidadd(intnum){  

14.        balance=balance+num;  

15.    }  

16.  

17.    publicvoidwithdraw(intnum){  

18.        balance=balance-num;  

19.    }  

20.  

21.    publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{  

22.        Accountaccount=newAccount(1000);  

23.        Threada=newThread(newAddThread(account,20),"add");  

24.        Threadb=newThread(newWithdrawThread(account,20),"withdraw");  

25.        a.start();  

26.        b.start(); 

26.        b.start();  

27.        a.join();  

28.        b.join();  

29.        System.out.println(account.getBalance());  

30.    }  

31.  

32.    staticclassAddThreadimplementsRunnable{  

33.        Accountaccount;  

34.        int     amount;  

35.  

36.        publicAddThread(Accountaccount,intamount){  

37.            this.account=account;  

38.            this.amount=amount;  

39.        }  

40.  

41.        publicvoidrun(){  

42.            for(inti=0;i<200000;i++){  

43.                account.add(amount);  

44.            }  

45.        }  

46.    }  

47.  

48.    staticclassWithdrawThreadimplementsRunnable{  

49.        Accountaccount;  

50.        int     amount;  

51.  

52.        publicWithdrawThread(Accountaccount,intamount){  

53.            this.account=account;  

54.            this.amount=amount;  

55.        }  

56.  

57.        publicvoidrun(){  

58.            for(inti=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.publicsynchronizedvoidadd(intnum){  

2.     balance=balance+num;  

3.}  

4.publicsynchronizedvoidwithdraw(intnum){  

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publicstatic 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.publicclassThreadTest{  

2.  publicvoidtest(){  

3.     Objectlock=newObject();  

4.     synchronized(lock){  

5.        //dosomething  

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，当一个被线程被唤醒(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。

生产者/消费者模式

       生产者/消费者模式其实是一种很经典的线程同步模型，很多时候，并不是光保证多个线程对某共享资源操作的互斥性就够了，往往多个线程之间都是有协作的。

       假设有这样一种情况，有一个桌子，桌子上面有一个盘子，盘子里只能放一颗鸡蛋，A专门往盘子里放鸡蛋，如果盘子里有鸡蛋，则一直等到盘子里没鸡蛋，B专门从盘子里拿鸡蛋，如果盘子里没鸡蛋，则等待直到盘子里有鸡蛋。其实盘子就是一个互斥区，每次往盘子放鸡蛋应该都是互斥的，A的等待其实就是主动放弃锁，B 等待时还要提醒A放鸡蛋。

如何让线程主动释放锁

很简单，调用锁的wait()方法就好。wait方法是从Object来的，所以任意对象都有这个方法。看这

个代码片段：

Java代码  

1.Objectlock=newObject();//声明了一个对象作为锁  

2.   synchronized(lock){  

3.       balance=balance-num;  

4.       //这里放弃了同步锁，好不容易得到，又放弃了  

5.       lock.wait();  

6.}  

如果一个线程获得了锁lock，进入了同步块，执行lock.wait()，那么这个线程会进入到lock的阻塞队列。如果调用lock.notify()则会通知阻塞队列的某个线程进入就绪队列。

声明一个盘子，只能放一个鸡蛋

Java代码  

1.importjava.util.ArrayList;  

2.importjava.util.List;  

3.  

4.publicclassPlate{  

5.  

6.    List<Object>eggs=newArrayList<Object>();  

7.  

8.    publicsynchronizedObjectgetEgg(){  

9.        while(eggs.size()==0){  

10.            try{  

11.                wait();  

12.            }catch(InterruptedExceptione){  

13.            }  

14.        }  

15.  

16.        Objectegg=eggs.get(0);  

17.        eggs.clear();//清空盘子  

18.        notify();//唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  

19.        System.out.println("拿到鸡蛋");  

20.        returnegg;  

21.    }  

22.  

23.    publicsynchronizedvoidputEgg(Objectegg){  24.        while(eggs.size()>0){  

25.            try{  

26.                wait();  

27.            }catch(InterruptedExceptione){  

28.            }  

29.        }  

30.        eggs.add(egg);//往盘子里放鸡蛋  

31.        notify();//唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  

32.        System.out.println("放入鸡蛋");  

33.    }  

34.      

35.    staticclassAddThreadextendsThread{  

36.        privatePlateplate;  

37.        privateObjectegg=newObject();  

38.        publicAddThread(Plateplate){  

39.            this.plate=plate;  

40.        }  

41.          

42.        publicvoidrun(){  

43.            for(inti=0;i<5;i++){  

44.                plate.putEgg(egg);  

45.            }  

46.        }  

47.    }  

48.      

49.    staticclassGetThreadextendsThread{  

50.        privatePlateplate;  

51.        publicGetThread(Plateplate){  

52.            this.plate=plate;  

53.        }  

54.          

55.        publicvoidrun(){  

56.            for(inti=0;i<5;i++){  

57.                plate.getEgg();  

58.            }  

59.        }  

60.    }  

61.      

62.    publicstaticvoidmain(Stringargs[]){  

63.        try{  

64.            Plateplate=newPlate();  

65.            Threadadd=newThread(newAddThread(plate));  66.            Threadget=newThread(newGetThread(plate));  67.            add.start();  

68.            get.start();  

69.            add.join();  

70.            get.join();  

71.        }catch(InterruptedExceptione){  

72.            e.printStackTrace();  

73.        }  

74.        System.out.println("测试结束");  

75.    }  

76.}  

执行结果：

Html代码  

1.放入鸡蛋  

2.拿到鸡蛋  

3.放入鸡蛋  

4.拿到鸡蛋  

5.放入鸡蛋  

6.拿到鸡蛋  

7.放入鸡蛋  

8.拿到鸡蛋  

9.放入鸡蛋  

10.拿到鸡蛋  

11.测试结束  

声明一个Plate对象为plate，被线程A和线程B共享，A专门放鸡蛋，B专门拿鸡蛋。假设1 开始，A调用plate.putEgg方法，此时eggs.size()为0，因此顺利将鸡蛋放到盘子，还执行了notify()方法，唤醒锁的阻塞队列的线程，此时阻塞队列还没有线程。

2 又有一个A线程对象调用plate.putEgg方法，此时eggs.size()不为0，调用wait()方法，自己进入了锁对象的阻塞队列。

3 此时，来了一个B线程对象，调用plate.getEgg方法，eggs.size()不为0，顺利的拿到了一个鸡

蛋，还执行了notify()方法，唤醒锁的阻塞队列的线程，此时阻塞队列有一个A线程对象，唤醒

后，它进入到就绪队列，就绪队列也就它一个，因此马上得到锁，开始往盘子里放鸡蛋，此时盘子是空的，因此放鸡蛋成功。

4 假设接着来了线程A，就重复2；假设来料线程B，就重复3。

整个过程都保证了放鸡蛋，拿鸡蛋，放鸡蛋，拿鸡蛋。

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.publicclassVolatileTest{  

2.  publicvolatileinta;  

3.  publicvoidadd(intcount){  

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.publicclassVolatileTest{  

2.  publicvolatileinta;  

3.  publicvoidsetA(inta){  

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。

线程安全总结（二）

     站内很多人都问我，所谓线程的“工作内存”到底是个什么东西？有的人认为是线程的栈，其实这种理解是不正确的。看看JLS（java语言规范）对线程工作内存的描述，线程的working memory只是cpu的寄存器和高速缓存的抽象描述。

     可能很多人都觉得莫名其妙，说JVM的内存模型，怎么会扯到cpu上去呢？在此，我认为很有必要阐述下，免得很多人看得不明不白的。先抛开java虚拟机不谈，我们都知道，现在的计算机，cpu在计算的时候，并不总是从内存读取数据，它的数据读取顺序优先级是：寄存器－高速缓存－内存。线程耗费的是CPU，线程计算的时候，原始的数据来自内存，在计算过程中，有些数据可能被频繁读取，这些数据被存储在寄存器和高速缓存中，当线程计算完后，这些缓存的数据在适当的时候应该写回内存。当个多个线程同时读写某个内存数据时，就会产生多线程并发问

题，涉及到三个特性：原子性，有序性，可见性。在《线程安全总结》这篇文章中，为了理解方便，我把原子性和有序性统一叫做“多线程执行有序性”。支持多线程的平台都会面临这种问

题，运行在多线程平台上支持多线程的语言应该提供解决该问题的方案。

       那么，我们看看JVM，JVM是一个虚拟的计算机，它也会面临多线程并发问题，java程序运行在java虚拟机平台上，java程序员不可能直接去控制底层线程对寄存器高速缓存内存之间的同

步，那么java从语法层面，应该给开发人员提供一种解决方案，这个方案就是诸如

synchronized,volatile,锁机制（如同步块，就绪队列，阻塞队列）等等。这些方案只是语法层面的，但我们要从本质上去理解它，不能仅仅知道一个synchronized 可以保证同步就完了。  在这里我说的是jvm的内存模型，是动态的，面向多线程并发的，沿袭JSL的“working memory”的说法，只是不想牵扯到太多底层细节，因为《线程安全总结》这篇文章意在说明怎样从语法层面去理解java的线程同步，知道各个关键字的使用场景。