Java多線程基礎（二）——Java內存模型

1、主存儲器與工做存儲器

Java內存模型（memory model）分爲主存儲器（main memory）和工做存儲器（working memory）兩種。

主存儲器（main memory）：
類的實例所存在的區域，main memory爲全部的線程所共享。

工做存儲器（working memory）：
每一個線程各自獨立所擁有的做業區，在working memory中，存有main memory中的部分拷貝，稱之爲工做拷貝（working copy）。

2、字段的使用

2.1 字段的引用

線程沒法直接對主存儲器進行操做，當線程須要引用實例的字段的值時，會一次將字段值從主存儲器拷貝到工做存儲器上（至關於上圖中的read->load）。
當線程再次須要引用相同的字段時，可能直接使用剛纔的工做拷貝（use），也可能從新從主存儲器獲取（read->load->use）。
具體會出現哪一種狀況，由JVM決定。

2.2 字段的賦值

因爲線程沒法直接對主存儲器進行操做，因此也就沒法直接將值指定給字段。
當線程欲將值指定給字段時，會一次將值指定給位於工做存儲器上的工做拷貝（assign），指定完成後，工做拷貝的內容便會複製到主存儲器（store->write），至於什麼時候進行復制，由JVM決定。
所以，當線程反覆對一個實例的字段進行賦值時，可能只會對工做拷貝進行指定（assign），此時只有指定的最後結果會在某個時刻拷貝到主存儲器（store-write）；也可能在每次指定時，都進行拷貝到主存儲器的操做（assign->store->write）。

3、線程的原子操做

Java語言規範定義了線程的六種原子操做：

• read
  負責從主存儲器（main memory）拷貝到工做存儲器（working memory）
• write
  與上述相反，負責從工做存儲器（working memory）拷貝到主存儲器（main memory）
• use
  表示線程引用工做存儲器（working memory）的值
• assign
  表示線程將值指定給工做存儲器（working memory）
• lock
  表示線程取得鎖定
• unlock
  表示線程解除鎖定

4、synchronied的本質

4.1 線程欲進入synchronized

線程欲進入synchronized時，會執行如下兩類操做：

• 強制寫入主存儲器（main memory）

當線程欲進入synchronized時，若是該線程的工做存儲器（working memory）上有未映像到主存儲器的拷貝，則這些內容會強制寫入主存儲器（store->write），則這些計算結果就會對其它線程可見（visible）。

• 工做存儲器（working memory）的釋放

當線程欲進入synchronized時，工做存儲器上的工做拷貝會被所有丟棄。以後，欲引用主存儲器上的值的線程，一定會從主存儲器將值拷貝到工做拷貝（read->load）。

4.2 線程欲退出synchronized

線程欲退出synchronized時，會執行如下操做：

• 強制寫入主存儲器（main memory）

當線程欲退出synchronized時，若是該線程的工做存儲器（working memory）上有未映像到主存儲器的拷貝，則這些內容會強制寫入主存儲器（store->write），則這些計算結果就會對其它線程可見（visible）。

注意： 線程欲退出synchronized時，不會執行工做存儲器（working memory）的釋放 操做。

5、volatile的本質

volatile具備如下兩種功能：

• 進行內存同步

volatile只能作內存同步，不能取代synchronized關鍵字作線程同步。
當線程欲引用volatile字段的值時，一般都會發生從主存儲器到工做存儲器的拷貝操做；相反的，將值指定給寫着volatile的字段後，工做存儲器的內容一般會當即映像到主存儲器

• 以原子（atomic）方式進行long、double的指定

6、Double Checked Locking Pattern的危險性

6.1 可能存在缺陷的單例模式

設計模式中有一種單例模式（Singleton Pattern），一般採用鎖來保證線程的安全性。

Main類：

//兩個Main線程同時調用單例方法getInstance
public class Main extends Thread {
    public static void main(String[] args) {
        new Main().start();
        new Main().start();
    }
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + MySystem.getInstance().getDate());
    }
}

單例類：

//採用延遲加載+雙重鎖的形式保證線程安全以及性能
public class MySystem {
    private static MySystem instance = null;
    private Date date = new Date();
 
    private MySystem() {
    }
    public Date getDate() {
        return date;
    }
    public static MySystem getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (MySystem.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new MySystem();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

分析：
上述Main類的MySystem.getInstance().getDate()調用可能返回null或其它值。
假設有兩個線程A和B，按照如下順序執行：

當線程A執行完A-4且未退出synchronized時，線程B開始執行，此時B得到了A建立好的instance實例。
可是注意，此時instance實例可能並未徹底初始化完成。
這是由於線程A製做MySystem實例時，會給date字段指定值new Date()，此時可能只完成了assign操做（線程A對工做存取器上的工做拷貝進行指定），在線程A退出synchronized時，線程A的工做存儲器上的值不保證必定會映像到主存儲器上（store->write）。

因此，當線程B在線程A退出前就調用MySystem.getInstance().getDate()方法的話，因爲主存儲器上的date字段並未被賦值過，因此B獲得的date字段就是未初始化過的。

注意：上面描述的這種狀況是否真的會發生，取決於JVM，由Java語言規範決定。

解決方法：
採用懶加載模式，在MySystem類中直接爲instance 字段賦值：
private static MySystem instance = new MySystem();