java高并发实战（三）——Java内存模型和线程安全

矫情吗；* 2022-05-21 00:22 168阅读 0赞

由于之前看的容易忘记，因此特记录下来，以便学习总结与更好理解，该系列博文也是第一次记录，所有有好多不完善之处请见谅与留言指出，如果有幸大家看到该博文，希望报以参考目的看浏览，如有错误之处，谢谢大家指出与留言。

一、原子性

原子性是指一个操作是不可中断的。即使是在多线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程干扰。

一般认为CPU指令是原子性的，要么不执行，要么全部执行完。

但写的程序就不一定，比如：i++ 至少包含两个操作，读和加两个操作，其实还有加完写到i中。所以这中间多个线程同时操作，就可能数据混乱。

二、有序性

在并发时，程序的执行可能就会出现乱序。

![70][]

我们一般认为指令是一条一条执行的，但其实一条指令的执行是可以分为很多步骤（这里的指令是的是汇编语言的指令）,如下:

1.  读取（指令） IF  （用这个if代替该步骤，以下如是）
2.  译码和取寄存器操作数 ID
3.  执行或者有效地址计算 EX
4.  存储器访问 MEM
5.  写回 （寄存器中）WB

如下两条指令，如果分解成不成阶段（五个阶段），假如每一个阶段消耗一个cpu时钟周期，如果串行的方式执行，会消耗10个cpu时钟周期，所以，在一条执行时，当实行完if时，他的处理if指令的硬件是空闲，那么下一条就可以跟着同时执行，像流水线一样执行。如下图：A=B+C案例

![70 1][]

中间在add的时候有个X阶段，是指在上一步MEM执行完后才能执行EX,因为X的时候R2值还没有，所以没法相加，当MEM步骤时就可以从硬件直接获取，不必等到写回到寄存器WB步骤。X其实可以理解为气泡。最后一步为什么还有一个气泡的原因是，如果去掉气泡EX前移会跟第三步中的EX重合相冲突，因为同一个操作，在两个不同指令之间不可以同时操作，会访问同一个硬件设备。

![70 2][]

下面这个案例是，消掉气泡，操作。穿插操作，产生气泡原因是，LW步骤和ADD是依赖关系，那么在中间去操作另一个指令，就可以消掉气泡。提高了，气泡带来消费问题。因此这就是指令重排。

![70 3][]

只要没有依赖关系，都可以指令重排，因此多线程执行时，出现乱序问题，就是指令重排产生的。指令重排只是其中一种优化方式，还会有其他优化方式同时操作。

![70 4][]

可见性原因是，各种性能优化产生的，编译器，虚拟机级别的优化造成的，主要虚拟机的指令重排优化，造成可见性  
多线程安全问题可以使用同步块阻塞解决，或者一些非阻塞方式

三、可见性

可见性是指当一个线程修改了某一个共享变量的值，其他线程是否能够立即知道这个修改。

1.  编译器优化层面可见性 ：比如一个编译程序，一个线程把一个变量值优化写入寄存器中，另一个线程把这个变量给缓存起来cache，所以她俩同一时刻并不知道对方修改了这个值。并不知道在这个值真实值，无法一致。
2.  硬件优化（如：写吸收、批操作）层面可见性：比如cpu,把数据写入内存，但他会通过硬件队列方式先存储到队列后批量的方式写入内存，因为单独写入比较慢。但过程中，他还会优化，因为最后获取最终值，所以他可能把最终值不写入队列中，直接写入内存，这样比较快，因此把队列中值丢弃所以另一个线程并看不到最终值，由此优化造成可见性问题。

可见性是由于不同级别优化产生的,不同环节产生，可以看做系统性问题。

![70 5][]

3.JVM层面的可见性：[http://hushi55.github.io/2015/01/05/volatile-assembly][http_hushi55.github.io_2015_01_05_volatile-assembly]

![70 6][]

使用-server模式启动，因为他会执行更多的优化方案。-client主要是给用户，体验快。下面是打印执行步骤

![70 7][]

介绍这么多可见性问题，主要是讲述，可见性问题成因比较复杂，产生的原因有好多种，基于不同程度优化方便导致的，总而言之是：可见性是一个线程中你可能看不到另一个线程对某个线程的修改。解决方法也比较简单，加个volatile。

下面也是表现可见性与指令重排现象：

![70 8][]![70 9][]

可见性：[http://www.techweb.com.cn/network/system/2017-06-24/2539856.shtml][http_www.techweb.com.cn_network_system_2017-06-24_2539856.shtml]

四、Happen-Before（先行发生规则）

*  程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性 a=1;  b=a+1;（比如他俩是依赖性的，不能指令重排，不管是指令重排结果还是不重排的指令结果，结果都是必须一致的）
 *  volatile规则：volatile变量的写，先发生于读，这保证了volatile变量的可见性
 *  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

五、线程安全初识

指某个函数，函数库在多个线程环境中被调用时，能够正确的处理各个线程的局部变量，使程序功能正确完成。

下面就是不安全的操作举例：

![70 10][]

解决线程安全也简单，通过阻塞的方式：

![70 11][]

参考：[http://www.techweb.com.cn/network/system/2017-06-24/2539856.shtml][http_www.techweb.com.cn_network_system_2017-06-24_2539856.shtml]

学习：[https://blog.csdn.net/ty\_laurel/article/details/52403718][https_blog.csdn.net_ty_laurel_article_details_52403718]

[https://www.cnblogs.com/humc/p/5426351.html][https_www.cnblogs.com_humc_p_5426351.html]

[http://ifeve.com/java%E9%94%81%E6%98%AF%E5%A6%82%E4%BD%95%E4%BF%9D%E8%AF%81%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%8F%AF%E8%A7%81%E6%80%A7%E7%9A%84/][http_ifeve.com_java_E9_94_81_E6_98_AF_E5_A6_82_E4_BD_95_E4_BF_9D_E8_AF_81_E6_95_B0_E6_8D_AE_E5_8F_AF_E8_A7_81_E6_80_A7_E7_9A_84]

[70]: /images/20220521/eb0939ea7b7945be90a2e2c4d524d9e4.png
[70 1]: /images/20220521/0ef4215b910a49158cbd332074f33f39.png
[70 2]: /images/20220521/5374cbf7d967416d86545667efe99b37.png
[70 3]: /images/20220521/6081a8ecb8494f11b787765da8f79ccb.png
[70 4]: /images/20220521/844474074ffe4d90921cb08fd9c74c9f.png
[70 5]: /images/20220521/a1774629933a4ae18947c3cea693b6a0.png
[http_hushi55.github.io_2015_01_05_volatile-assembly]: http://hushi55.github.io/2015/01/05/volatile-assembly
[70 6]: /images/20220521/4370c8b9d3a44c9e837f4bf6cb1bd9c3.png
[70 7]: /images/20220521/899ddaa9c2da439f90f5afa56c772fe8.png
[70 8]: https://img-blog.csdn.net/20180626162700316?watermark/2/text/aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d1ZHVkZWRhYmFp/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70
[70 9]: /images/20220521/19aaa54763e54181838f3f3bd9f51d8d.png
[http_www.techweb.com.cn_network_system_2017-06-24_2539856.shtml]: http://www.techweb.com.cn/network/system/2017-06-24/2539856.shtml
[70 10]: /images/20220521/70ac8752f8dc4ee0b9cd65315d48cdce.png
[70 11]: /images/20220521/bd79e1957c254c29943c7ed797dcd9c5.png
[https_blog.csdn.net_ty_laurel_article_details_52403718]: https://blog.csdn.net/ty_laurel/article/details/52403718
[https_www.cnblogs.com_humc_p_5426351.html]: https://www.cnblogs.com/humc/p/5426351.html
[http_ifeve.com_java_E9_94_81_E6_98_AF_E5_A6_82_E4_BD_95_E4_BF_9D_E8_AF_81_E6_95_B0_E6_8D_AE_E5_8F_AF_E8_A7_81_E6_80_A7_E7_9A_84]: http://ifeve.com/java%E9%94%81%E6%98%AF%E5%A6%82%E4%BD%95%E4%BF%9D%E8%AF%81%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%8F%AF%E8%A7%81%E6%80%A7%E7%9A%84/