1. 概述

这篇内容比较杂,没有什么具体的条理。记录的是《深入理解 Java 虚拟机》并发部分的一些要点。其中包括:

  • Java 内存模型
  • 线程安全及其实现
  • 锁优化

2. Java 内存模型

2.1 主内存和工作内存

Java 内存模型规定所有变量都存储在主内存(main memory)中,同时,每条线程具有自己的工作内存(working memory)。

线程的工作内存中储存的是被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝,线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存。同时,不同线程之间变量值的传递也都需要通过主内存来完成。线程、主内存、工作内存的交互如下图所示:

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2.2 内存间的相互操作

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议,即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节,Java 内存模型中定义了以下 8 种操作来完成,虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的。

  1. lock(锁定):作用于主内存的变量,它把一个变量标识为一个线程独占的状态。
  2. unlock(解锁):作用于主内存的变量,它把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其他线程访问
  3. read(读取):作用于主内存的变量,它把一个变量的值从主内存中传输到工作内存中,以便随后的load动作使用。
  4. load(加载):作用于工作内存的变量,它把read操作从主内存中得到的变量放入工作内存的变量副本中。
  5. use(使用):作用于工作内存的变量,它把工作内存中的一个变量的值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用该变量的字节码指令时将会执行这个操作。
  6. assign(赋值):作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存中的变量。
  7. store(存储):作用于工作内存的变量,它把工作内存中的一个变量的值传递给主内存中,以后随后的write操作使用
  8. write(写入):作用于主内存的变量,它把store操作从工作内存中得到的变量值放入主内存的变量中。

Java 内存模型规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则:

  1. 不允许read和load、store和write操作之一单独出现,以上两个操作必须按顺序执行,但没有保证必须连续执行,也就是说,read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的。
  2. 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作,即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
  3. 不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
  4. 一个新的变量只能从主内存中“诞生”,不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load或assign)的变量,换句话说就是对一个变量实施use和store操作之前,必须先执行过了read和assign操作。
  5. 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其执行lock操作,但lock操作可以被同一个条线程重复执行多次,多次执行lock后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。
  6. 如果对一个变量执行lock操作,将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前,需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
  7. 如果一个变量实现没有被lock操作锁定,则不允许对它执行unlock操作,也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
  8. 对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存(执行store和write操作)。

2.3 volatile 变量

在前面讲述了很多东西,其实都是为讲述 volatile 关键字作铺垫,那么接下来我们就进入主题。

一旦一个共享变量(类的成员变量、类的静态成员变量)被volatile修饰之后,那么就具备了两层语义:

  • 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性,即一个线程修改了某个变量的值,这新值对其他线程来说是立即可见的。
  • 禁止进行指令重排序。

假定 T 表示一个线程,V 和 W 分别表示两个 volatile 变量,那么在进行 read、load、use、assign、store、write 操作时需要满足如下的规则:

  1. 只有当线程 T 对变量 V 执行的前一个动作是 load 的时候,线程 T 才能对变量 V 执行 use 动作;并且,只有当线程 T 对变量 V 执行的后一个动作是 use 的时候,线程T才能对变量 V 执行 load 操作。线程 T 对变量 V 的 use 操作可以认为是与线程 T 对变量 V 的 load 和 read 操作相关联的,必须一起连续出现。这条规则要求在工作内存中,每次使用变量 V 之前都必须先从主内存刷新最新值,用于保证能看到其它线程对变量 V 所作的修改后的值。
  2. 只有当线程T对变量V执行的前一个动作是 assign 的时候,线程T才能对变量V执行store操作;并且,只有当线程T对变量V执行的后一个动作是store操作的时候,线程T才能对变量V执行assign操作。线程T对变量V的assign操作可以认为是与线程T对变量V的store和write操作相关联的,必须一起连续出现。这一条规则要求在工作内存中,每次修改V后都必须立即同步回主内存中,用于保证其它线程可以看到自己对变量V的修改。
  3. 假定操作A是线程T对变量V实施的use或assign动作,假定操作F是操作A相关联的load或store操作,假定操作P是与操作F相应的对变量V的read或write操作;类型地,假定动作B是线程T对变量W实施的use或assign动作,假定操作G是操作B相关联的load或store操作,假定操作Q是与操作G相应的对变量V的read或write操作。如果A先于B,那么P先于Q。这条规则要求valitile修改的变量不会被指令重排序优化,保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。

总结就是,volatile 保证了并发过程中变量的可见性,但无法保证对变量的任何操作都是原子性的。

3. 线程安全

TBC.