Java并发编程二 线程安全
线程安全概念：
当多个线程访问某一个类（对象或方法）时，这个对象始终都能表现出正确的行为，那么这个类（对象或方法）就是线程安全的。
1.Java内存模型（JMM）
Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则,即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量(Variables)与Java编程中所说的变量有所区别,它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素,但不包括局部变量与方法参数,因为后者是线程私有的 ,不会被共享,自然就不会存在竞争问题。
Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中。每条线程还有自己的工作内存(Working Memory),线程的工作内存中保存了被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(读取、赋值等)都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量 。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成,线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下图
2.Java内存间的交互操作
lock(锁定):作用于主内存的变量,它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
unlock(解锁):作用于主内存的变量,它把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其他线程锁定。
read(读取):作用于主内存的变量,它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用。
load(载入):作用于工作内存的变量,它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
use(使用):作用于工作内存的变量,它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
assign(赋值):作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
store(存储):作用于工作内存的变量,它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中,以便随后的write操作使用。
write(写入):作用于主内存的变量,它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。
3.JMM三个特征
3.1原子性(Atomicity)
原子性(Atomicity):由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write,我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的。
如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证,Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求,尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用,但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作,这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块——synchronized关键字,因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。
3.2可见性(Visibility)
可见性(Visibility):可见性是指当一个线程修改了共享变量的值,其他线程能够立即得知这个修改。
Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存,在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的.无论是普通变量还是volatile变量都是如此,普通变量与volatile变量的区别是,
volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存,以及每次使用前立即从主内存刷新。因此,可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性,而普通变量则不能保证这一点。
同步块(synchronized)的可见性是由“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中(执行store、
write操作)”这条规则获得的,
final关键字的可见性是指:被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成,并且构造器没有把“this”的引用传递出去,那在其他线程中就能看见final字段的值。
3.3有序性(Ordering)
有序性(Ordering):Java程序中天然的有序性可以总结为一句话:如果在本线程内观察,所有的操作都是有序的;如果在一个线程中观察另一个线程,所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行的语义”(Within-Thread As-If-Serial Semantics),后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。
4.volatile关键字
volatile关键字保证变量具有可见性却不能保证具有原子性。
volatile具有两层语义
第一是保证此变量对所有线程的可见性,这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程来说是可以
立即得知的。
第二个是禁止指令重排序优化，是通过内存屏障（也叫内存栅栏）实现的。
在每个volatile写操作前插入StoreStore屏障，在写操作后插入StoreLoad屏障
在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障，在读操作后插入LoadStore屏障
通俗地讲：volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中重读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫将最新的值刷新到主内存。这样任何时刻，不同的线程总能看到该变量的最新值
4.1内存屏障
内存屏障的作用：
防止指令之间的重排序
强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，让缓存中相应的数据失效
硬件层的内存屏障分为两种：Load Barrier 和 Store Barrier即读屏障和写屏障
对于Load Barrier来说，在指令前插入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制从新从主内存加载数据
对于Store Barrier来说，在指令后插入Store Barrier，能让写入缓存中的最新数据更新写入主内存，让其他线程可见
java内存屏障：
LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕
StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见
LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕
StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能
5.synchronized关键字
synchronized可以保证方法或者代码块在运行时，同一时刻只有一个方法可以进入到临界区，同时它还可以保证共享变量的内存可见性
synchronized关键字经过编译之后,会在同步块的前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令,这两个字节
码都需要一个reference类型的参数来指明要锁定和解锁的对象。
Java中每一个对象都可以作为锁，这是synchronized实现同步的基础：
1. 普通同步方法，锁是当前实例对象
2. 静态同步方法，锁是当前类的class对象
3. 同步方法块，锁是括号里面的对象
同步代码块：monitorenter指令插入到同步代码块的开始位置，monitorexit指令插入到同步代码块的结束位置，JVM需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个monitor与之相关联，当且一个monitor被持有之后，他将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor所有权，即尝试获取对象的锁；
synchronized锁重入:关键字synchronized拥有锁重入功能，也就是在使用synchronized时，当一个线程得到了一个对象的锁后，再次请求此对象时是可以再次得到该对象的锁