并发编程之三大特性及JMM内存模型

目录

原子性

如何保证原子性

可见性

如何保证可见性

有序性

如何保证有序性

Java内存模型(JMM内存模型)

Java内存模型的一些关键概念：

主内存与工作内存交互协议

Java内存模型通过以下手段来确保多线程程序的正确性：

锁机制

volatile

volatile禁止指令重排序

?Happens-Before

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并发三大特性

原子性、可见性、有序性

原子性

? ? ? ? 原子性是指一个操作是不可中断的。一个原子操作是一个不可分割的整体，要么全部执行成功，要么全部不执行。在多线程环境下，当多个线程访问共享变量时，如果其中一个线程在执行某个操作，其他线程不能同时执行该操作。

public class AtomicTest {
    private static volatile int counter = 0;

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    //synchronized (AtomicTest.class) {
                        counter++;
                   // }
                }
            });
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(counter);
    }
}

? ? ? ? 正常执行后counter变量的值远远大于预期10000，加synchronized后counter变量为10000

如何保证原子性

? ? ? 1. 通过synchronized关键字保证原子性

? ? ? 2. 通过 Lock锁保证原子性

? ? ? 3. 通过 CAS保证原子性

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可见性

? ? ? ?可见性是指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即看到这个修改。在多线程环境下，由于线程之间的缓存机制，一个线程对共享变量的修改可能不会立即被其他线程看到。

?

public class VisibilityExample {
    private static boolean stop = false;

    public static void main(String[] args) {
        // 线程1：修改共享变量
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            while (!stop) {
                // do something
            }
            System.out.println("Thread 1 finished");
        });
        // 线程2：修改共享变量
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            stop = true;
            System.out.println("Thread 2 set stop to true");
        });

        // 启动线程1
        thread1.start();

        // 稍等片刻
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 启动线程2
        thread2.start();
    }
}

? ? ? ?在以上代码中，两个线程分别运行，并且共享一个stop变量。线程1在一个循环中检查stop变量是否为false，而线程2在启动后将stop变量设置为true。然而，由于没有同步机制，线程1可能不会立即看到线程2对stop变量的修改，导致线程1一直在循环中无法退出。

private static volatile boolean stop = false;

通过给stop变量增加volatile修饰，即可保证可见性。

如何保证可见性

? ? ? ?通过volatile 关键字保证可见性
? ? ? ?通过内存屏障保证可见性
? ? ? ?通过synchronized 关键字保证可见性
? ? ? ?通过Lock锁保证可见性

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有序性

? ? ? ?有序性是指程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。在多线程环境下，由于指令重排序等优化，有时候线程执行的顺序可能与代码的顺序不一致。

public class ReOrderTest {

    private static  int x = 0, y = 0;
    private  static  int a = 0, b = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i=0;
        while (true) {
            i++;
            x = 0;
            y = 0;
            a = 0;
            b = 0;

            Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    //用于调整两个线程的执行顺序
                    shortWait(20000);
                    a = 1; 
                    x = b; 

                }
            });
            Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    b = 1;
                    y = a;

                }
            });

            thread1.start();
            thread2.start();
            thread1.join();
            thread2.join();

            System.out.println("第" + i + "次（" + x + "," + y + ")");
            if (x==0&&y==0){
                break;
            }
        }
    }
    public static void shortWait(long interval){
        long start = System.nanoTime();
        long end;
        do{
            end = System.nanoTime();
        }while(start + interval >= end);
    }
}

执行结果：x,y出现了0,0的结果，程序终止。出现这种结果有可能是重排序导致的。

如何保证有序性

? ? ? ?通过volatile 关键字保证有序性
? ? ? ?通过内存屏障保证有序性?
? ? ? ?通过synchronized关键字保证有序性
? ? ? ?通过Lock锁保证有序性

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Java内存模型(JMM内存模型)

? ? ? ?Java内存模型（Java Memory Model，JMM）是Java程序中多线程并发访问共享变量时，对内存操作行为的一种规范。它定义了在多线程环境中，线程如何与主内存和工作内存交互，以确保并发程序的正确性。

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Java内存模型的一些关键概念：

1. 主内存（Main Memory）： 主内存是所有线程共享的内存区域，包含所有的共享变量。所有的线程都可以访问主内存。
2. 工作内存（Working Memory）： 每个线程有自己的工作内存，存储了该线程使用到的变量的副本。线程对变量的所有操作都在工作内存中进行，不直接读写主内存。
3. 共享变量： 多个线程之间可以共享的变量，例如类的静态变量或实例变量。
4. 原子性（Atomicity）： 单个的读/写操作是原子的，即要么完成，要么不开始。
5. 可见性（Visibility）： 当一个线程修改了共享变量的值，其他线程应该能够立即看到这个变化。
6. 有序性（Ordering）： 程序执行的顺序与代码中的顺序一致。

主内存与工作内存交互协议

从工 作内存同步到主内存之间的实现细节，Java内存模型定义了以下八种原子操作来完成：
lock（锁定）:作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
unlock（解锁）:作用于主内存变量，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。
read（读取）:作用于主内存变量，把一个变量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
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。
use（使用）:作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要 使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
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值给工作内存的变量，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。
store（存储）:作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操 作。
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。

Java内存模型通过以下手段来确保多线程程序的正确性：

1. 锁机制： 使用synchronized关键字或显式锁来保护共享数据，确保在同一时刻只有一个线程可以访问临界区。
2. volatile关键字： 用于修饰共享变量，保证可见性。对一个volatile变量的写操作将立即刷新到主内存，而读操作将从主内存中加载最新的值。
3. final关键字： 被final修饰的字段在构造函数结束之前就已经对其他线程可见。
4. Happens-Before关系： JMM定义了Happens-Before的规则，确保在某个操作之前的操作对其可见。

锁机制

1. 当线程获取锁时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。
2. 当线程释放锁时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中。

? ? ? ?synchronized关键字的作用是确保多个线程访问共享资源时的互斥性和可见性。在获取锁之前，线程 会将共享变量的最新值从主内存中读取到线程本地的缓存中，释放锁时会将修改后的共享变量的值刷 新到主内存中，以保证可见性。

volatile

1. 当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。
2. 当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效，线程接下来将从主内存中读取共享变量。

volatile禁止指令重排序

?Happens-Before

? ? ? ?Happens-Before是Java内存模型（Java Memory Model，JMM）中一个重要的概念，用于规定多线程程序中操作之间的执行顺序和可见性关系。这个概念确保了在程序中对共享变量的操作是按照一定顺序执行的，以避免出现不确定的结果和数据竞争问题。

? ? ? ?如果操作A在操作B之前发生在之前（happens-before），那么操作A对于操作B来说，必定是可见的，而且操作A的效果将被操作B看到。??

Happens-Before部分关系规则：

1. 程序顺序规则（Program Order Rule）： 在一个线程中，操作按照程序代码的先后顺序执行。
2. 锁定规则（Lock Rule）： 释放锁的操作Happens-Before于后续对同一锁的加锁操作。
3. volatile变量规则（Volatile Variable Rule）： 对volatile变量的写操作Happens-Before于后续对这个变量的读操作。
4. 传递性（Transitivity）： 如果操作A Happens-Before于操作B，且操作B Happens-Before于操作C，那么操作A Happens-Before于操作C。
5. 线程启动规则（Thread Start Rule）： 线程的启动操作Happens-Before于该线程的任何操作。
6. 线程终止规则（Thread Termination Rule）： 线程的所有操作Happens-Before于其他线程检测到该线程已经终止。