Java運(yùn)行時(shí)內(nèi)存區(qū)域與硬件內(nèi)存的關(guān)系2

線程間通信

線程間的通信一般有兩種方式進(jìn)行，一是通過消息傳遞，二是共享內(nèi)存。Java 線程間的通信采用的是共享內(nèi)存方式，JMM 為共享變量提供了線程間的保障。如果兩個(gè)線程都對一個(gè)共享變量進(jìn)行操作，共享變量初始值為 1，每個(gè)線程都變量進(jìn)行加 1，預(yù)期共享變量的值為 3。在 JMM 規(guī)范下會有一系列的操作。我們直接來看下圖：

在多線程的情況下，對主內(nèi)存中的共享變量進(jìn)行操作可能發(fā)生線程安全問題，比如：線程 1 和線程 2 同時(shí)對同一個(gè)共享變量進(jìn)行操作，執(zhí)行+1操作，線程 1 、線程2 讀取的共享變量是否是彼此修改前還是修改后的值呢，這個(gè)是無法確定的，這種情況和CPU的高速緩存與內(nèi)存之間的問題非常相似

如何實(shí)現(xiàn)主內(nèi)存與工作內(nèi)存的變量同步，為了更好的控制主內(nèi)存和本地內(nèi)存的交互，Java 內(nèi)存模型定義了八種操作來實(shí)現(xiàn)：

• lock：鎖定。作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)變量標(biāo)識為一條線程獨(dú)占狀態(tài)。
• unlock：解鎖。作用于主內(nèi)存變量，把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。
• read：讀取。作用于主內(nèi)存變量，把一個(gè)變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動作使用
• load：載入。作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。工作內(nèi)存即本地內(nèi)存。
• use：使用。作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時(shí)將會執(zhí)行這個(gè)操作。
• assign：賦值。作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的字節(jié)碼指令時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作。
• store：存儲。作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write的操作。
• write：寫入。作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存的變量中。

重溫Java 并發(fā)三大特性

原子性

原子性：即一個(gè)或者多個(gè)操作作為一個(gè)整體，要么全部執(zhí)行，要么都不執(zhí)行，并且操作在執(zhí)行過程中不會被線程調(diào)度機(jī)制打斷；而且這種操作一旦開始，就一直運(yùn)行到結(jié)束，中間不會有任何上下文切換（context switch） 比如：

int i = 0;   //語句1，原子性

i++;         //語句2，非原子性

語句1大家一幕了然，語句2卻許多人容易犯迷糊，i++ 其實(shí)可以分為3步：

1. i 被從局部變量表（內(nèi)存）取出，
2. 壓入操作棧（寄存器），操作棧中自增
3. 使用棧頂值更新局部變量表（寄存器更新寫入內(nèi)存）

執(zhí)行上述3個(gè)步驟的時(shí)候是可以進(jìn)行線程切換的，或者說是可以被另其他線程的 這3 步打斷的，因此語句2不是一個(gè)原子性操作

在 Java 中，可以借助synchronized 、各種 Lock 以及各種原子類實(shí)現(xiàn)原子性。synchronized 和各種Lock是通過保證任一時(shí)刻只有一個(gè)線程訪問該代碼塊，因此可以保證其原子性。各種原子類是利用CAS (compare and swap)操作（可能也會用到 volatile或者final關(guān)鍵字）來保證原子操作。

可見性

可見性是指當(dāng)多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看到修改的值。我們來看一個(gè)例子：

public class VisibilityTest {
    private boolean flag = true;

    public void change() {
        flag = false;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，已修改flag=false");
    }

    public void load() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "，開始執(zhí)行.....");
        int i = 0;
        while (flag) {
            i++;
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ",結(jié)束循環(huán)");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VisibilityTest test = new VisibilityTest();

        // 線程threadA模擬數(shù)據(jù)加載場景
        Thread threadA = new Thread(() -> test.load(), "threadA");
        threadA.start();

        // 讓threadA執(zhí)行一會兒
        Thread.sleep(1000);
        // 線程threadB 修改 共享變量flag
        Thread threadB = new Thread(() -> test.change(), "threadB");
        threadB.start();

    }
}

threadA 負(fù)責(zé)循環(huán)，threadB負(fù)責(zé)修改 共享變量flag，如果flag=false時(shí)，threadA 會結(jié)束循環(huán)，但是上面的例子會死循環(huán)。原因是threadA無法立即讀取到共享變量flag修改后的值。我們只需 private volatile boolean flag = true;加上volatile關(guān)鍵字threadA就可以立即退出循環(huán)了。

Java中的volatile關(guān)鍵字提供了一個(gè)功能，那就是被其修飾的變量在被修改后可以立即同步到主內(nèi)存，被其修飾的變量在每次是用之前都從主內(nèi)存刷新。

因此，可以使用volatile來保證多線程操作時(shí)變量的可見性。除了volatile，Java中的synchronized和final兩個(gè)關(guān)鍵字 以及各種 Lock也可以實(shí)現(xiàn)可見性。

有序性

有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

int i = 0;
int j = 0;
i = 10;   //語句1
j = 1;    //語句2

但由于指令重排序問題，代碼的執(zhí)行順序未必就是編寫代碼時(shí)候的順序。語句可能的執(zhí)行順序如下：

1. 語句1 語句2
2. 語句2 語句1

指令重排對于非原子性的操作，在不影響最終結(jié)果的情況下，其拆分成的原子操作可能會被重新排列執(zhí)行順序。 指令重排不會影響單線程的執(zhí)行結(jié)果，但是會影響多線程并發(fā)執(zhí)行的結(jié)果正確性 。在Java 中，可以通過volatile關(guān)鍵字來禁止指令進(jìn)行重排序優(yōu)化，詳情可見：https://mp.weixin.qq.com/s/TyiCfVMeeDwa-2hd9N9XJQ。也可以使用synchronized關(guān)鍵字保證同一時(shí)刻只允許一條線程訪問程序塊。

參考資料：

《java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》

https://www.cnblogs.com/czwbig/p/11127124.html

https://www.cnblogs.com/jelly12345/p/14609657.html

https://www.cnblogs.com/bailiyi/p/11967396.html