「Java程序设计」-多线程|进阶

2018-12-22

一、Java内存模型

线程间协作通信可以类比人与人之间的协作的方式，之前网上有个流行语“你妈喊你回家吃饭了”，就以这个生活场景为例，小明在外面玩耍，小明妈妈在家里做饭，做晚饭后准备叫小明回家吃饭，那么就存在两种方式：

小明妈妈要去上班了十分紧急这个时候手机又没有电了，于是就在桌子上贴了一张纸条“饭做好了，放在…”小明回家后看到纸条如愿吃到妈妈做的饭菜，那么，如果将小明妈妈和小明作为两个线程，那么这张纸条就是这两个线程间通信的共享变量，通过读写共享变量实现两个线程间协作；
妈妈的手机还有电，妈妈在赶去坐公交的路上给小明打了个电话，这种方式就是通知机制来完成协作。同样，可以引申到线程间通信机制。

在并发编程中主要需要解决两个问题：1. 线程之间如何通信；2.线程之间如何完成同步（这里的线程指的是并发执行的活动实体）。通信是指线程之间以何种机制来交换信息，主要有两种：共享内存和消息传递。这里，可以分别类比上面的两个举例。java内存模型是共享内存的并发模型，线程之间主要通过读-写共享变量来完成隐式通信。

共享变量的范围：
Java程序中的所有实例域、静态域和数组元素都是放在堆内存中，所有线程均可访问。而局部变量、方法定义参数和异常处理参数不会在线程之间共享。共享数据会存在线程安全问题。

如图为JMM抽象示意图，线程A和线程B之间要完成通信的话，要经历如下两步：

线程A从主内存中将共享变量读入线程A的工作内存后并进行操作，之后将数据重新写回到主内存中
线程B从主存中读取最新的共享变量

从横向去看看，线程A和线程B就好像通过共享变量在进行隐式通信。这其中有很有意思的问题，如果线程A更新后数据并没有及时写回到主存，而此时线程B读到的是过期的数据，这就出现了“脏读”现象。可以通过同步机制来解决或者通过volatile关键字使得每次volatile变量都能够强制刷新到主存，从而使共享变量对每个线程都是可见的。

二、synchronized实现原理

具体分类	被锁的对象	伪代码
实例方法	类的实例对象	//实例方法 public synchronized void method(){ ………. }
静态方法	类对象	//静态方法 public static synchronized void method(){ ………. }
实例对象	类的实例对象	//同步代码块 synchronized(this){ ………. }
class对象	类对象	//同步代码块 synchronized(SynchronizedDemo.class){ ………. }
任意实例对象Object	任意实例对象	//同步代码块 String lock = “”; synchronized(lock){ ………. }

2.1、对象锁（monitor）机制

现在我们来看看synchronized的底层实现：

public class SynchronizedDemo {
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (SynchronizedDemo.class) {
        }
        method();
    }

    private static void method() {
    }
}

上述代码中有一个同步代码块，锁住的是类对象，并且还有一个同步的静态方法，锁住的依旧是类对象。编译以后再SynchronizedDemo.class的目录下使用javap -v SynchronizedDemo.class查看字节码文件，可以发现：

锁对象的重入性
执行同步代码块后首先要先执行monitorenter指令，退出时执行monitorexit指令。代码被同步后，只有线程获取monitor之后才能继续执行，否则就只能等待。而这个获取的过程是互斥的，即同一时刻只有一个线程能够获取到monitor。上面的demo中在执行完同步代码块之后紧接着再会去执行一个静态同步方法，而这个方法锁的对象依然就这个类对象，那么这个正在执行的线程还需要获取该锁吗？答案是不必的，从上图中就可以看出来，执行静态同步方法的时候就只有一条monitorexit指令，并没有monitorenter获取锁的指令。这就是锁的重入性，即在同一锁程中，线程不需要再次获取同一把锁。Synchronized先天具有重入性。每个对象拥有一个计数器，当线程获取该对象锁后，计数器就会加一，释放锁后就会将计数器减一。

三、volatile实现原理

使用synchronized会产生阻塞式同步，在线程竞争激烈的情况下会升级为重量级锁。而volatile可以当作一种轻量级的同步机制。从JMM我们可以得知，各个线程会将共享变量从主内存拷贝到工作内存，然后会基于工作内存中的数据及逆行操作处理。线程在工作内存进行操作之后何时将数据写入主内存？这个时机是没有规定的。对于volatile修饰的变量，若发生修改Java虚拟机会立刻将其写入主内存，并告知其他线程该变量已被修改。所以被volatile修饰的变量既不会出现“脏读”，也能保证数据的可见性。

public class VolatileExample {
    private int a = 0;
    private volatile boolean flag = false;
    public void writer(){
        a = 1;          //1
        flag = true;    //2
    }
    public void reader(){
        if(flag){       //3
            int i = a;  //4
        }
    }
}

上述代码加锁线程A先执行writer方法，然后线程B执行reader方法。

因为flag被volatile修饰，多以当线程A修改了布尔变量flag，其他线程就能立刻感知，不会出现线程安全问题。

本文参考资料：https://github.com/CL0610/Java-concurrency