《深刻理解Java內存模型》讀書總結

時間 2019-11-24

原文原文鏈接

概要

文章是《深刻理解Java內容模型》讀書筆記，該書總共包括了3部分的知識。html

包括「併發、同步、主內存、本地內存、重排序、內存屏障、happens before規則、as-if-serial規則、數據依賴性、順序一致性模型、JMM的含義和意義」。程序員

該部分中就介紹了「同步」的3種方式：volatile、鎖、final。對於每一種方式，從該方式的「特性」、「創建的happens before關係」、「對應的內存語義」、「實現方式」等幾個方面進行了分析說明。實際上，JMM保證「若是程序正確同步，則執行結果與順序一致性內存模型的結果相同」的機制；而這部分這是確保程序正確同步的機制。數組

第3部分，JMM總結多線程

第1部分基本概念

1. 併發併發

定義：即，併發(同時)發生。在操做系統中，是指一個時間段中有幾個程序都處於已啓動運行到運行完畢之間，且這幾個程序都是在同一個處理機上運行，但任一個時刻點上只有一個程序在處理機上運行。app

併發須要處理兩個關鍵問題：線程之間如何通訊及線程之間如何同步。函數

(01) 通訊 —— 是指線程之間如何交換信息。在命令式編程中，線程之間的通訊機制有兩種：共享內存和消息傳遞。性能

(02) 同步—— 是指程序用於控制不一樣線程之間操做發生相對順序的機制。在Java中，能夠經過volatile，synchronized, 鎖等方式實現同步。

2.主內存和本地內存

主內存 —— 即main memory。在java中，實例域、靜態域和數組元素是線程之間共享的數據，它們存儲在主內存中。

本地內存 —— 即local memory。局部變量，方法定義參數和異常處理器參數是不會在線程之間共享的，它們存儲在線程的本地內存中。

3.重排序

定義：重排序是指「編譯器和處理器」爲了提升性能，而在程序執行時會對程序進行的重排序。

說明：重排序分爲——「編譯器」和「處理器」兩個方面，而「處理器」重排序又包括「指令級重排序」和「內存的重排序」。

關於重排序，咱們須要理解它的思想：爲了提升程序的併發度，從而提升性能！可是對於多線程程序，重排序可能會致使程序執行的結果不是咱們須要的結果！所以，就須要咱們經過「volatile，synchronize，鎖等方式」做出正確的實現同步。

4.內存屏障

定義：包括LoadLoad, LoadStore, StoreLoad, StoreStore共4種內存屏障。內存屏障是與相應的內存重排序相對應的。

屏障類型	指令示例	說明
LoadLoad Barriers	Load1; LoadLoad; Load2	確保Load1數據的裝載，以前於Load2及全部後續裝載指令的裝載。
StoreStore Barriers	Store1; StoreStore; Store2	確保Store1數據對其餘處理器可見（刷新到內存），以前於Store2及全部後續存儲指令的存儲。
LoadStore Barriers	Load1; LoadStore; Store2	確保Load1數據裝載，以前於Store2及全部後續的存儲指令刷新到內存。
StoreLoad Barriers	Store1; StoreLoad; Load2	確保Store1數據對其餘處理器變得可見（指刷新到內存），以前於Load2及全部後續裝載指令的裝載。StoreLoad Barriers會使該屏障以前的全部內存訪問指令（存儲和裝載指令）完成以後，才執行該屏障以後的內存訪問指令。

做用：經過內存屏障能夠禁止特定類型處理器的重排序，從而讓程序按咱們預想的流程去執行。

5. happens-before

定義：JDK5(JSR-133)提供的概念，用於描述多線程操做之間的內存可見性。若是一個操做執行的結果須要對另外一個操做可見，那麼這兩個操做之間必須存在happens-before關係。

做用：描述多線程操做之間的內存可見性。

[程序順序規則]：一個線程中的每一個操做，happens- before 於該線程中的任意後續操做。

[監視器鎖規則]：對一個監視器鎖的解鎖，happens- before 於隨後對這個監視器鎖的加鎖。

[volatile變量規則]：對一個volatile域的寫，happens- before 於任意後續對這個volatile域的讀。

[傳遞性]：若是A happens- before B，且B happens- before C，那麼A happens- before C。

6. 數據依賴性

定義：若是兩個操做訪問同一個變量，且這兩個操做中有一個爲寫操做，此時這兩個操做之間就存在數據依賴性。

做用：編譯器和處理器不會對「存在數據依賴關係的兩個操做」執行重排序。

7.as-if-serial

定義：無論怎麼重排序，程序的執行結果不能被改變。

8. 順序一致性內存模型

定義：它是理想化的內存模型。有如下規則：

(01) 一個線程中的全部操做必須按照程序的順序來執行。

(02) 全部線程都只能看到一個單一的操做執行順序。在順序一致性內存模型中，每一個操做都必須原子執行且馬上對全部線程可見。

9. JMM

定義：Java Memory Mode，即Java內存模型。它是Java線程之間通訊的控制機制。

說明：JMM對Java程序做出保證——若是程序是正確同步的，程序的執行將具備順序一致性。即，程序的執行結果與該程序在順序一致性內存模型中的執行結果相同。

10. 可見性

可見性通常用於指不一樣線程之間的數據是否可見。

在java中，實例域、靜態域和數組元素這些數據是線程之間共享的數據，它們存儲在主內存中；主內存中的全部數據對該內存中的線程都是可見的。而局部變量，方法定義參數和異常處理器參數這些數據是不會在線程之間共享的，它們存儲在線程的本地內存中；它們對其它線程是不可見的。

此外，對於主內存中的數據，在本地內存中會對應的建立該數據的副本(至關於緩衝)；這些副本對於其它線程也是不可見的。

11. 原子性

是指一個操做是按原子的方式執行的。要麼該操做不被執行；要麼以原子方式執行，即執行過程當中不會被其它線程中斷。

第2部分同步機制

1.volatile

1.1 做用

若是一個變量是volatile類型，則對該變量的讀寫就將具備原子性。若是是多個volatile操做或相似於volatile++這種複合操做，這些操做總體上不具備原子性。volatile變量自身具備下列特性：

[可見性]：對一個volatile變量的讀，老是能看到（任意線程）對這個volatile變量最後的寫入。

[原子性]：對任意單個volatile變量的讀/寫具備原子性，但相似於volatile++這種複合操做不具備原子性。

1.2 volatile的內存語義

volatile寫：當寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存中的共享變量刷新到主內存。

volatile讀：當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存置爲無效。線程接下來將從主內存中讀取共享變量。

1.3 JMM中的實現方式

JMM針對編譯器制定的volatile重排序規則表：

是否能重排序	第二個操做
第一個操做	普通讀/寫	volatile讀	volatile寫
普通讀/寫			NO
volatile讀	NO	NO	NO
volatile寫		NO	NO

下面是基於保守策略的JMM內存屏障插入策略：

在每一個volatile寫操做的前面插入一個StoreStore屏障。
在每一個volatile寫操做的後面插入一個StoreLoad屏障。
在每一個volatile讀操做的後面插入一個LoadLoad屏障。
在每一個volatile讀操做的後面插入一個LoadStore屏障。

1.4 volatile和 synchronize對比

在功能上，監視器鎖比volatile更強大；在可伸縮性和執行性能上，volatile更有優點。

volatile僅僅保證對單個volatile變量的讀/寫具備原子性；而synchronize鎖的互斥執行的特性能夠確保對整個臨界區代碼的執行具備原子性。

2.鎖

2.1 做用

鎖是java併發編程中最重要的同步機制。

2.2 鎖的內存語義

(01) 線程A釋放一個鎖，實質上是線程A向接下來將要獲取這個鎖的某個線程發出了（線程A對共享變量所作修改的）消息。

(02) 線程B獲取一個鎖，實質上是線程B接收了以前某個線程發出的（在釋放這個鎖以前對共享變量所作修改的）消息。

(03) 線程A釋放鎖，隨後線程B獲取這個鎖，這個過程實質上是線程A經過主內存向線程B發送消息。

2.3 JMM如何實現鎖

公平鎖

公平鎖是經過「volatile」實現同步的。公平鎖在釋放鎖的最後寫volatile變量state；在獲取鎖時首先讀這個volatile變量。根據volatile的happens-before規則，釋放鎖的線程在寫volatile變量以前可見的共享變量，在獲取鎖的線程讀取同一個volatile變量後將當即變的對獲取鎖的線程可見。