java共享变量的内存可见性问题详解

雨点打透心脏的1/2处 2023-01-05 05:13 169阅读 0赞

### 1、并发和并行 ###

并发是指同一时间段内多个任务同时都在执行，并且都没有执行结束，而并行是在说单位时间内多个任务同时在执行。并发任务强调在一个时间段内同时执行，而一个时间段由多个单位时间累计而成，所以说并发的多个任务在单位时间内不一定同时在执行。

在单CPU时代多任务都是并发执行的，这是因为单个CPU同时只能执行一个任务。在单CPU时代，多任务是共享一个CPU的，当一个任务占用CPU运行时，其他任务就会被挂起，当占用CPU的任务时间片用完后，会把CPU让给其他任务来使用。

### 2、共享资源 ###

所谓共享资源，就是说该资源被多个线程所持有或者说多个线程都可以去访问该资源。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpX3dfY2g_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

线程安全问题是指当多个线程同时读写一个共享资源并且没有任何同步措施时，导致出现脏数据或者其他不可预见的结果的问题。

### 3、Java共享变量的内存可见性问题 ###

Java内存模型规定，将所有的变量都存放在主内存中，当线程使用变量时，会把主内存里面的变量赋值到自己的工作空间或者叫作工作内存，线程读变量时操作的是自己工作内存中的变量。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpX3dfY2g_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

**Java内存模型是一个抽象的概念，在实际实现中线程的工作内存如下：**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpX3dfY2g_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

上图所示是一个双核CPU系统架构，每个核有自己的控制器和运算器，其中控制器包含一组寄存器和操作控制器，运算器执行算术逻辑运算。每个核都有自己的一级缓存，在有些架构里面还有一个所有CPU都共享的二级缓存。那么Java内存模型里面的工作内存，就对应上图中的L1或者L2缓存或者CPU的寄存器。

当一个线程操作共享变量时，它首先从主内存复制共享变量到自己的工作内存，然后对工作内存里的变量进行处理，处理完成之后将变量值更新到主内存。

假入线程A和线程B同时处理一个共享变量，切使用不同CPU执行，并且当前两级Cache都为空，那么这时候由于Cache的存在，将会导致内存不可见问题：

*  线程A首先获取共享变量X的值，由于两级Cache都没命中，所以加载主内存中X的值，假如为0.然后把X=0的值缓存到两级缓存，线程A修改X的值为1，然后将其写入两级Cache，并且刷新到主内存。线程A操作完毕后，线程A所在的CPU的两级Cache内和主内存里面的X的值都为1
 *  线程B获取X的值，首先一级缓存没有命中，然后看二级缓存，二级缓存命中了，所以返回X=1；到这里都是正常的，因为这时候主内存中也是X=1.然后线程B修改X的值为2，并将其存放到线程B所在的一级Cache和共享Cache中，最后更新主内存中X的值为2
 *  线程A这次又需要修改X的值，获取时一级缓存命中，并且X=1，到这里就出现问题了，命名线程B已经把X的值修改为2了，但是线程A获取的还是1

这就是共享变量的内存不可见问题，也就是线程B写入的值对线程A不可见。

### **解决办法** ###

### 4、synchronized关键字 ###

### 4.1、synchronized关键字介绍 ###

synchronized块是java提供的一种原子性内置锁，Java种的每个对象都可以把它当作一个同步锁来使用，这些Java内置的使用者看不到的锁被称为内部锁，也叫监视器锁。线程的执行代码在进入synchronized代码块前会自动获取内部锁，这时候其他线程访问该同步代码块时会被阻塞挂起。拿到内部锁的线程会在正常退出同步代码块或者抛出异常后或者在同步块内调用了该内置锁资源的wait系列方法时释放该内置锁。

内置锁是排它锁，也就是当一个线程获取这个锁后，其他线程必须等待该线程释放锁后才能获取该锁。

另外，由于java中的线程是与操作系统的原生线程一一对应的，所以当阻塞一个线程时，需要从用户状态切换到内核状态执行阻塞操作，这是很耗时的操作，而synchronized的使用就会导致上下文的切换。

### 4.2、synchronized的内存语义 ###

synchronized的一个内存语义可以解决共享变量内存可见性问题。进入synchronized块的内存语义是把在synchronized块内使用到的变量从线程的工作内存中清除，这样在synchronized块内使用到该变量时就不会从线程的工作内存中获取，而是直接从主内存中获取。退出synchronized块的内存语义是把在synchronized块内对共享变量的修改刷新到内存。

处可以解决共享变量内存可见性问题外，synchronized经常被用来实现原子性操作。另外请注意，synchronized关键字会引起线程上下文切换并带来线程调度开销。

### 5、volatile关键字 ###

### 5.1、volatile关键字介绍 ###

对于解决内存可见性问题，Java还提供了一种弱形式的同步，也就是使用volatile关键字。该关键字可以确保对一个变量的更新对其他线程马上可见。当一个线程被声明为volatile时，线程在写入变量时不会把值缓存在寄存器或者其他地方，而是会把值刷新回主内存。当其他线程读取该共享变量时，会从主内存重新获取最新值，而不是使用当前线程的工作内存中的值。

### 5.2、volatile内存语义 ###

volatile的内存语义和synchronized有相似之处，具体来说就是，当线程写入了volatile变量值就等价于线程退出synchronized同步块（把写入工作内存的变量值同步到主存），读取volatile变量值时就相当于进入同步块（先清空本地内存变量值，再从主内存获取最新值）

// synchronized同步方式
    public class ThreadSafeInteger {
        private int value;
        
        public synchronized int get() {
            return value;
        }
    
        public synchronized void set(int value) {
            this.value = value;
        }
    }
    
    //volatile同步方式
    public class ThreeadSafeInteger2 {
        private volatile int value;
        
        public int get() {
            return value;
        }
    
        public void set(int value) {
            this.value = value;
        }
    }

这里使用synchronized和使用volatile是等价的，都解决了共享变量value的内存可见性问题，但是前者是独占锁，同时只能有一个线程调用get()方法，其他调用线程会被阻塞，同时会存在线程上下文切换和线程重新调度的开销，这也是使用锁方式不好的地方。而后者是非阻塞算法，不会造成线程上下文切换的开销。

volatile虽然提供了可见性保证，但并不保证操作的原子性。

### 5.3、使用volatile关键字的场景： ###

*  写入变量不依赖变量的当前值。因为如果依赖当前值，将是获取-计算-写入三步操作，这三步操作不是原子性的，而volatile不保证原子性
 *  读写变量时没有加锁，因为加锁本省已经保证了内存可见性，这时候不需要把变量声明为volatile的

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpX3dfY2g_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221119/a37f92d429f94d3da07dc18d89cf3e20.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpX3dfY2g_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210111184641685.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpX3dfY2g=,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpX3dfY2g_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210111184813738.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpX3dfY2g=,size_16,color_FFFFFF,t_70