java-多线程编程2-并发性问题-底层实现

硬件效率和一致性问题

由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距,所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存(Cache)来作为内存与处理器之间的缓冲:将运算需要使用到的数据复制到缓存中,让运算能快速进行,当运算结束后再从缓存同步回内存之中,这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。

基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾,但是也为计算机系统带来更高的复杂度,因为它引入了一个新的问题:缓存一致性(Cache Coherence)。在多处理器系统中,每个处理器都有自己的高速缓存,而它们又共享同一主内存(MainMemory)

主内存与工作内存

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中(此处的主内存与介绍物理硬件时的主内存名字一样,两者也可以互相类比,但此处仅是虚拟机内存的一部分)。每条线程还有自己的工作内存(Working Memory,可与前面讲的处理器高速缓存类比),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 。

主内存与工作内存之间具体的交互协议,即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节,Java内存模型中定义了以下8种操作来完成,虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。

volatile型变量的特殊规则

当一个变量定义为volatile之后,它将具备两种特性,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。而普通变量不能做到这一点,普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成,例如,线程A修改一个普通变量的值,然后向主内存进行回写,另外一条线程B在线程A回写完成了之后再从主内存进行读取操作,新变量值才会对线程B可见。

注意这个方法并不能保证原子性,只能保证可见性

package test;
/**
 * volatile变量自增运算测试
 *
 */
public class VolatileTest {
    public static volatile int race = 0;
    public static void increase() {
        race++;
    }
    private static final int THREADS_COUNT = 20;
    public static void main(String[] args) {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                        increase();
                    }
                }
            });
            threads[i].start();
        }
        //预期20×10000
        // 等待所有累加线程都结束
        while (Thread.activeCount() > 1)
            Thread.yield();
        System.out.println(race);
    }
}

预期输出为200000实际并不是,因为java中运算操作并不是原子操作,会有字节码重排序的情况发生

volatile对 long和double型变量的特殊规则

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这8个操作都具有原子性,但是对于64位的数据类型(long和double),在模型中特别定义了一条相对宽松的规定:允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行,即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这4个操作的原子性

如果有多个线程共享一个并未声明为volatile的long或double类型的变量,并且同时对它们进行读取和修改操作,那么某些线程可能会读取到一个既非原值,也不是其他线程修改值的代表了“半个变量”的数值

注意:目前各种平台下的商用虚拟机几乎都选择把64位数据的读写操作作为原子操作来对待,因此我们在编写代码时一般不需要把用到的long和double变量专门声明为volatile

原子性、可见性与有序性

  • 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(例外就是long和double的非原子性协定,读者只要知道这件事情就可以了,无须太过在意这些几乎不会发生的例外情况)。
  • 如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证(经常会遇到),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。
  • 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。除了volatile之外,Java还有两个关键字能实现可见性,即synchronized和final。
  • 有序性(Ordering):Java内存模型的有序性在前面讲解volatile时也详细地讨论过了,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

结论:一个操作“时间上的先发生”不代表这个操作会是“先行发生“

Java与线程

对于Sun JDK来说,它的Windows版与Linux版都是使用一对一的线程模型实现的,一条Java线程就映射到一条轻量级进程之中,因为Windows和Linux系统提供的线程模型就是一对一的

Java线程调度

线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程,主要调度方式有两种,分别是协同式线程调度(CooperativeThreads-Scheduling)和抢占式线程调度(PreemptiveThreads-Scheduling)

状态转换

  1. 新建(New):创建后尚未启动的线程处于这种状态。
  2. 运行(Runable):Runable包括了操作系统线程状态中的Running和Ready,也就是处于此状态的线程有可能正在执行,也有可能正在等待着CPU为它分配执行时间。
  3. 无限期等待(Waiting):处于这种状态的线程不会被分配CPU执行时间,它们要等待被其他线程显式地唤醒。以下方法会让线程陷入无限期的等待状态:●没有设置Timeout参数的Object.wait()方法。●没有设置Timeout参数的Thread.join()方法。●LockSupport.park()方法。
  4. 限期等待(Timed Waiting):处于这种状态的线程也不会被分配CPU执行时间,不过无须等待被其他线程显式地唤醒,在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。以下方法会让线程进入限期等待状态:●Thread.sleep()方法。●设置了Timeout参数的Object.wait()方法。●设置了Timeout参数的Thread.join()方法。●LockSupport.parkNanos()方法。●LockSupport.parkUntil()方法。
  5. 阻塞(Blocked):线程被阻塞了,“阻塞状态”与“等待状态”的区别是:“阻塞状态”在等待着获取到一个排他锁,这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生;而“等待状态”则是在等待一段时间,或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候,线程将进入这种状态。
  6. 结束(Terminated):已终止线程的线程状态,线程已经结束执行。
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