并发5️⃣内存①JMM

1、Java 内存模型

Java Memory Model

作用：让 Java 程序在所有平台具有一致的内存访问效果，而不受硬件和操作系统影响。

JMM 定义了程序中各种变量的访问规则，体现为主存、工作内存两个结构。
特性：原子性、可见性、有序性。

1.1、主存 & 工作内存

所有变量都存储在主存中。

每个线程有自己的工作内存，其中保存了该线程所使用变量的主存副本。

通常情况下

线程对变量的读写操作只在工作内存中进行，不直接读写主内存中的数据。
线程之间也无法直接访问对方工作内存的变量，需要通过主内存来传递。

1.2、三大特性（❗）

	解决问题	实现方式
原子性	线程上下文切换	Lock 或 synchronized
可见性	CPU 缓存	volatile 或 synchronized
有序性	CPU 指令并行优化	volatile

原子性：多行字节码指令能同时执行，不受线程上下文影响。

解决：synchronized、Lock

2、可见性

可见性：主存中对变量的修改，对工作内存可见。

即线程读取变量的最新值，而非缓存的旧值。

2.1、问题描述

2.1.1、退不出的循环

① 示例

循环条件：run

线程 t1 进入循环，循环条件为 run == true。
一秒后，主线程设置 run = false。

线程 t1 没有退出循环。

static boolean run = true;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    new Thread(() -> {
        while (run) {
            // ....
        }
    }, "t1").start();

    SleepUtils.sleepSeconds(1);
    run = false;
}

② 分析

简单来说：工作内存没有感知到主存的变量已修改。

线程 t1 刚开始运行时，读取主存中的 run 值。
线程 t1 执行一段时间后，JIT 编译器将 while 循环（热点代码）优化，将主存中的 run 值缓存到工作内存。
主线程修改主存中的 run 值，但 t1 读工作内存中的 run 值。

2.1.2、解决方法（❗）

原理：两种解决方案

volatile：要求线程从主存中读取变量，避免线程从工作缓存中读取。
synchronized：
1. 线程执行到 synchronized 同步代码块，加锁。
2. 清空工作内存，将主存中的变量值拷贝到工作内存。
3. 执行完同步代码块，将更新后的变量值刷新到主存中。
4. 释放互斥锁。

对比

	volatile	synchronized
含义	易变	同步
修饰变量	成员变量	成员变量
解决问题	可见性	可见性、原子性
说明	无法解决原子性问题（即不能防止线程之间的指令交错）	性能低：涉及底层的 Monitor 结构

2.2、模式：两阶段终止

实现方式

isInterrupted()
volatile

2.2.1、回顾 isInterrupted()

案例：后台监控

① 图示

循环

判断中断标志：即 isInterrupted()，判断是否被中断。
- true：处理后事（如保存结果、释放锁等），结束线程。
- false：执行任务。
执行任务：执行结束后睡眠 1 秒，捕获睡眠期间的异常。
- 正常：进入下一轮循环。
- 异常：睡眠线程被中断会清除中断标志，因此需要手动重新设置中断标志，进入下一轮循环。

② 代码实现

判断中断标志：若被中断则处理后事并结束进程。
执行任务：执行结束后睡眠 1 秒，捕获睡眠期间的异常。

睡眠期间被中断：中断标志被清除，需要重新设置中断标志。

private Thread thread;

public void turnOn() {
    thread = new Thread(() -> {
        Thread current = Thread.currentThread();
        while (true) {
            if (current.isInterrupted()) {
                // 模拟：处理后事
                LogUtils.debug("terminating...");
                // 处理完毕后退出
                LogUtils.debug("Exit");
                break;
            }
            // 执行任务
            LogUtils.debug("working...");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                // 设置中断标志
                current.interrupt();
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }, "t");
    thread.start();
}

public void turnOff() {
    thread.interrupt();
}

2.2.2、volatile（❗）

相比 isInterrupter() 方式，使用了自定义中断标志

启动
1. 自定义 stopFlag 变量作为中断标志，volatile 保证可见性。
2. 睡眠期间被中断，不需要重设 interrupted 中断标志。
终止
1. 将 stopFlag 中断标志设为 true。
  （相当于 isInterrupted() 方式的 interrupt()）
2. interrupt() 强制中断线程。
  （若没有该方法，t1 在睡眠期间被中断时需等待睡眠时间结束）

代码

private volatile boolean stopFlag;

public void turnOn() {
    thread = new Thread(() -> {
        while (true) {
            if (stopFlag) {
                // 模拟：处理后事
                LogUtils.debug("terminating...");
                // 处理完毕后退出
                LogUtils.debug("Exit");
                break;
            }
            // 执行任务
            LogUtils.debug("working...");
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                // 不需要设置中断标志
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }, "t1");

    thread.start();
}

public void turnOff() {
    LogUtils.debug("stop");
    stopFlag = true;
    thread.interrupt();
}

2.3、同步模式：Balking

2.3.1、定义

犹豫（Balking），即懒加载

定义：线程执行某个任务时发现任务已被执行（当前线程 / 其它线程），则当前线程无需再次执行，直接返回。
应用：懒汉式单例模式。

2.3.2、案例

模拟 web 环境启动监控功能

定义 startFlag 标识是否已启动，volatile 保证可见性。

启动
1. 判断 startFlag，已启动则直接返回，未加锁则设置 true（必须保证原子性）
2. 启动监控

说明：在 web 环境中，点击一次页面的【启动】按钮，相当于调用一次 turnOn() 方法。

public class BalkingModel {
    private volatile boolean startFlag;

    public void turnOn() {
        synchronized (this) {
            if (startFlag) {
                LogUtils.debug("已开启监控");
                return;
            }
            startFlag = true;
        }
        // 模拟启动监控
        LogUtils.debug("监控中");
    }
}

3、有序性

有序性：字节码指令按一定顺序被 CPU 调度执行。

指令重排：JVM 调整字节码指令的执行顺序，以提高代码的整体执行效率。

3.1、指令重排

JVM 运行期优化技术

通常是将易于执行的指令（如资源耗费低）重排序到前面。

单线程：可以提高代码整体执行效率。将易于执行的指令先执行
多线程：会影响正确性。

3.2、示例：诡异的结果

两个线程分别执行以下两个方法，问 result 的最终结果？

int result = 0;

int num = 1;
boolean ready = false;

// 线程t1执行
public void m1() {
    if(ready) {
        // ①
        result = num + num;
    } else {
        // ②
        result = 1;
    }
}
// 线程t2执行
public void m2() {
    // ③
    num = 2;
    // ④
    ready = true;
}

3.2.1、分析

① 正常情况

有 3 种情况：结果可能是 1 或 4。

先进入 m1()：条件假，进入 else 执行 ②
先进入 m2()：执行③，④还未执行；此时进入 m1()：条件假，执行②
先进入 m2()：执行③④；再进入 m1()：条件真，执行①

② 指令重排

还有一种情况：result == 2

先进入 m2()：执行④，③未执行
此时进入 m1()：条件真，执行①

3.2.2、解决：volatile

使用 volatile 修饰成员变量，可保证 ready。

posted @ 2022-04-25 01:21 Jaywee 阅读(3) 评论(0) 编辑收藏举报

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