转载学习 多线程中的内存模型和关键字

 

       类比与现代计算机的主存与cache，JVM中规定了 所有变量都存储在主内存中（类比计算机的主存），然后每条线程有自己的工作内存（类比每个处理器的cache）。线程的工作内存中保存了该线程需要用到的变量的拷贝值，线程在CPU上运行时都是对自己工作线程中的数据进行读写操作，运行结束之后才把数据同步化主内存中。那么类比于计算机使用 缓存一致性协议 解决缓存一致性问题，JVM中就需要线程同步机制来达到多线程对同一内存区域的读写控制了。

       此外，Java编译器为了提高性能，采取了 指令重排序（类比计算机的 乱序执行），若多个线程都有语句对同一内存区域进行操作的话，有可能因为指令重排序而导致结果不符预料。因此，也需要线程同步机制来达到多线程对同一内存区域的读写控制。

  三：主内存与工作内存的数据交互

       JVM定义了8种操作来完成主内存与线程工作内存的数据交互：

       1：lock：把主内存变量标识为一条线程独占，此时不允许其他线程对此变量进行读写。

       2：unlock：解锁一个主内存变量。

       3：read：把一个主内存变量值读入到线程的工作内存，强调的是读入这个过程。

       4：load：把read到变量值保存到线程工作内存中作为变量副本，强调的是读入的值的保存过程。

       5：use：线程执行期间，把工作内存中的变量值传给字节码执行引擎。

       6：assign（赋值）：字节码执行引擎把运算结果传回工作内存，赋值给工作内存中的结果变量。

       7：store：把工作内存中的变量值传送到主内存，强调传送的过程。

       8：write：把store传送进来的变量值写入主内存的变量中，强调保存的过程。

       JVM要求以上8个操作都具有原子性，即对数据的读写操作具有原子性。但也有例外，即：long、double的非原子性协定：这两个64位类型的数据的读、写操作各需两次进行，一次读/写 32 位，这两次读/两次写 是不保证原子性的。

  

    四：原子性、可见性、有序性

       原子性：基本数据类型的读写操作是原子性的；更大范围的（代码块）的原子性可以用lock、unlock操作来实现（上锁后就只有一个线程来执行了，所以不会被其他线程打断原子操作），表现到代码层面就是使用syncrhoized同步块。

       可见性：当一个线程修改了被多线程共享的一个主内存变量值时，其他线程能立刻知道这个修改。

                  我们在上面可以知道，JVM是通过工作内存中的变量值变化后，把新值同步会主内存，然后其他线程从主内存读取这个新值来实现可见性的。这里有个区别：普通变量的值变化后，不一定会立刻同步会主内存，而是会等线程执行完或者一段时间后才同步会，而且同步回主内存后，其他线程的工作内存也不一定会立刻读取新值。而被volatile关键字修饰的变量，一旦在工作内存中被修改，则立刻同步回主内存，并且其他使用了这个变量的线程的工作内存会立刻从主内存读取新值。而syncrhoized关键字修饰的变量由于一次只能有一个线程能使用，故一次也只能有一个工作线程读写它，所以也能“纵向”地实现可见性。

       有序性：多线程之间对共享数据的操作的有序性，可以通过volatile和syncrhoized关键字来保证。volatile关键字禁止了指令重排序，而syncrhoized关键字规定了多个线程每次只能有一个线程对共享数据进行操作。

 

    五：volatile关键字

       一个volatile变量具有两种特性：可见性、禁止指令重排序。但是，volatile不具备原子性！原因是volatile变量的值可以被多线程交替修改，而修改包括了read、load、use、store、write等过程，这些过程不能保证是原子执行的。

       可见性：被volatile关键字修饰的变量，一旦在工作内存中被修改，则立刻同步回主内存，并且其他使用了这个变量的线程的工作内存会立刻从主内存读取新值。

       禁止指令重排序：volatile变量在赋值后会创建一个内存屏障：指令重排序时，位于后面的指令不能排到内存屏障之前。

1、锁提供了两种主要特性：互斥（mutual exclusion） 和可见性（visibility）。

　　互斥即一次只允许一个线程持有某个特定的锁，因此可使用该特性实现对共享数据的协调访问协议，这样，一次就只有一个线程能够使用该共享数据。

　　可见性要更加复杂一些，它必须确保释放锁之前对共享数据做出的更改对于随后获得该锁的另一个线程是可见的 —— 如果没有同步机制提供的这种可见性保证，线程看到的共享         变量可能是修改前的值或不一致的值，这将引发许多严重问题。（竞态条件）

2、在Java中,为了保证多线程读写数据时保证数据的一致性,可以采用两种方式：

　 同步：如用synchronized关键字,或者使用锁对象

　 使用volatile关键字：用一句话概括volatile,它能够使变量在值发生改变时能尽快地让其他线程知道。

3、volatile详解

　 首先我们要先意识到有这样的现象,编译器为了加快程序运行的速度,对一些变量的写操作会先在寄存器或者是CPU缓存上进行,最后才写入内存.

    而在这个过程中,变量的新值对其他线程是不可见的.

　 当对volatile标记的变量进行修改时，会将其他缓存中存储的修改前的变量清除，然后重新读取。这里从哪读取我并不明确，一般来说应该是先在进行修改的缓存A中修改为新值，然后通知其他缓存清除掉此变量，当其他缓存B中的线程读取此变量时，会向总线发送消息，这时存储新值的缓存A获取到消息，将新值穿给B。最后将新值写入内存。当变量需要更新时都是此步骤，volatile的作用是被其修饰的变量，每次更新时，都会刷新上述步骤。

4、volatile与synchronized

1）volatile本质是在告诉jvm当前变量在寄存器中的值是不确定的,需要从主存中读取,synchronized则是锁定当前变量,只有当前线程可以访问该变量,其他线程被阻塞住.

2）volatile仅能使用在变量级别,synchronized则可以使用在变量,方法.

3）volatile仅能实现变量的修改可见性,而synchronized则可以保证变量的修改可见性和原子性.

　　《Java编程思想》上说，定义long或double变量时，如果使用volatile关键字，就会获得（简单的赋值与返回操作）原子性

4）volatile不会造成线程的阻塞,而synchronized可能会造成线程的阻塞.

5、当一个域的值依赖于它之前的值时，volatile就无法工作了，如n=n+1,n++等。如果某个域的值受到其他域的值的限制，那么volatile也无法工作，如Range类的lower和upper边界，必须遵循lower<=upper的限制。

6、使用volatile而不是synchronized的唯一安全的情况是类中只有一个可变的域。