JAVA线程安全及性能的优化笔记(一)——JAVA内存模型技术頭條網

JAVA线程安全及性能的优化笔记(一)——JAVA内存模型

不同的平台，内存模型是不一样的，但是jvm的内存模型规范是统一的。其实JAVA的多线程并发问题最终都会反映在java的内存模型上，所谓线程安全无非是要控制多个线程对某个资源的有序访问或修改。总结java的内存模型，要解决两个主要的问题：可见性和有序性。我们都知道计算机有高速缓存的存在，处理器并不是每次处理数据都是取内存的。JVM定义了自己的内存模型，屏蔽了底层平台内存管理细节，对于java开发人员，要清楚在jvm模型的基础上，如果解决多线程的可见性和有序性。

那么，何谓可见性呢？多个线程之间是不能互相传递数据通信的，他们之间的沟通只能通过共享变量来进行。Java内存模型(JMM)规定了jvm有主内存，主内存是多个线程共享的。当new一个对象的时候，也是被分配在主内存中，每个线程都有自己的工作内存，工作内存存储了主存的某些对象的副本，当然线程的工作大小是有限制的。当线程操作某个对象时，执行顺序如下：

从主存复制变量到当前工作内存(readandload)
执行代码，改变共享变量值(useandassign)
用工作内存数据刷新主存相关内容(storeandwrite)

JVM规范定义了线程对主存的操作指令：read、load、use、assign、store、write。当一个共享变量在多个线程的工作内存中都有副本时，如果一个线程修改了这个共享变量，那么其他线程应该能够看到这个被修改之后的值，这就是多线程的可见性问题。

那么什么是有序性呢？线程在引用变量时不能直接从主内存中引用，如果线程工作内存中没有该变量，则会从主内存中拷贝一个副本到工作内存中，这个过程为read-load，完成后线程会引用该副本。当同一线程再度引用该字段时，有可能从主内存中获取变量副本(read-load-use)，也有可能直接引用原来的副本(use)，也就是说read、load、use顺序可以由JVM实现系统决定。

线程不能直接为主内存中字段赋值，它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign)，完成后这个变量副本会同步到主存储区(store-write)，至于何时同步过去，根据JVM实现系统决定。有该字段，则会从主内存中将该字段赋值到工作内存中，这个过程为read-load，完成后线程会引用该变量副本，当同一线程多次重复对字段赋值时，比如：

Java代码：

<code>for (inti=0;i<10;i++)
    a++;/<code>

线程有可能只对工作内存中的副本进行赋值，只到最后一次赋值后才同步到主存储区，所以assign、store、write顺序可以由JVM实现系统决定。假设有一个共享变量x，线程a执行x=x+1。从上面的描述中课可以知道x=x+1并不是一个原子操作，它的执行过程如下：

从主存中读取变量x副本到工作内存
给x加1
讲x加1后的值写回主存

如果另外一个线程b执行x=x-1，执行过程如下：

从主存中读取变量x副本到工作内存
给x减1
将x减1后的值写回主存

那么显然，最终的x的值是不可靠的。假设x现在为10，线程a加1，线程b减1，从表面上看，似乎最终x还是为10，但是多线程情况下会有这样的情况发生：

线程a从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x的值为10
线程b从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x的值为10
线程a将工作内存中x加1，工作内存中x为11,
线程a将x提交到主存中，主存中x为11
线程b将工作内存中x减1，工作内存中x为9,
线程b将x提交到主存中，主存中x为9

同样，x有可能为11，如果x是一个银行账户，线程a存款，线程b扣款，显然这样是有严重问题的，要解决这个问题，必须保证线程a和线程b是有序执行的，并且每个线程执行的加1和减1是一个原子操作。

<code>publicclassAccount{
    privateintbalace;
    publicAccount(intbalance){
        this.balance=balance;
    }
    publicintgetBalance(){
        returnbalance;
    }
    publicvoidadd(intnum){
        balance=balance+num;
    }
    publicvoidwithdraw(intnum){
        balance=balance-num;
    }
    publicstaticvoidmain(Stringargs[])throwsInterruptedException{
        Accountaccount=newAccount(1000);
        Threada=newThread(newAddThread(account,20),”add”);
        Threadb=newThread(newWithdrawThread(account,20),”withdraw”);
        a.start();
        b.start();
        a.join();
        b.join();
        System.out.println(account.getBalance());
    }
    staticclassAddThreadimplementsRunnable{
        Accountaccount;
        intamount;
        publicAddThread(Accountaccount,intamount){
            this.account=account;
            this.amount=amount;
        }
        publicvoidrun(){
            for (inti=0;i<200000;i++){
                account.add(amount);
            }
        }
    }
}
staticclassWithdrawThreadimplementsRunnable{
    Accountaccount;
    intamount;
    publicWithdrawThread(Accountaccount;
    intamount){
        this.account=account;
        this.amount=amount;
    }
    publicvoidrun(){
        for (inti=0;i<100000;i++){
            account.withdraw(amount);
        } 

    }
}
/<code>

第一次执行的结果是10200，第二次执行的结果是1060，每次执行的结果都是不确定的，因为线程的执行顺序是不可预见的。这是java同步产生的根源。synchronized关键字保证了多个线程对于同步块是互斥的，synchronized作为一种同步手段，解决java多线程的执行的有序性和内存可见性，而volatile关键字只解决多线程的内存可见性问题。