Java内存模型

概述

• 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(怎样和内存进行交互,怎样读写内存)
• 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

内存间的交互:一个内存变量如何从主内存拷贝到工作内存,又如何从工作内存同步到主内存这样的一些实现细节

• 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,操作如下:
• lock :锁定,把变量标识为线程独占,作用于主内存变量(当某个线程需要去使用主内存中的某个变量,那么就在主内存的变量上加一个锁)
• 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(同lock相反,那个线程lock的就必须由那个线程unlock)
• 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,把从执行弓|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进来的数据存放入主内存的变量中

内存间的交互操作示意图

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之间是可插入其他指令的
• 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1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-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,在执行弓|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-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)

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valatile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

• 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拍,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- -个变量之后,再写这个变量
  • 读后写a= b;b= 1;读-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

Java线程安全的处理方法

• 不可变是线程安全的(不可变的类,方法,属性,final修饰的)
• 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定策略,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

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（空循环）,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

锁粗化

• 通常我们都要求同步块要小，但-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

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（进程运行过程中，没有其他线程争抢资源，不用加锁，正常执行操作，操作执行完成，提交时没有产生冲突就正常结束，出现冲突则补偿）
• 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

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 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

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(锁里的功能不要包含太多,尽量包含核心功能)