Java多線程基礎（二）——Java內存模型

huhud 發布于2019-08-16 12:39 / 1856人閱讀

摘要：一主存儲器與工作存儲器內存模型分為主存儲器和工作存儲器兩種。工作存儲器每個線程各自獨立所擁有的作業區，在中，存有中的部分拷貝，稱之為工作拷貝。注意線程欲退出時，不會執行工作存儲器的釋放操作。

一、主存儲器與工作存儲器

Java內存模型（memory model）分為主存儲器（main memory）和工作存儲器（working memory）兩種。

主存儲器（main memory）：
類的實例所存在的區域，main memory為所有的線程所共享。

工作存儲器（working memory）：
每個線程各自獨立所擁有的作業區，在working memory中，存有main memory中的部分拷貝，稱之為工作拷貝（working copy）。

二、字段的使用 2.1 字段的引用

線程無法直接對主存儲器進行操作，當線程需要引用實例的字段的值時，會一次將字段值從主存儲器拷貝到工作存儲器上（相當于上圖中的read->load）。
當線程再次需要引用相同的字段時，可能直接使用剛才的工作拷貝（use），也可能重新從主存儲器獲取（read->load->use）。
具體會出現哪種情況，由JVM決定。

2.2 字段的賦值

由于線程無法直接對主存儲器進行操作，所以也就無法直接將值指定給字段。
當線程欲將值指定給字段時，會一次將值指定給位于工作存儲器上的工作拷貝（assign），指定完成后，工作拷貝的內容便會復制到主存儲器（store->write），至于何時進行復制，由JVM決定。
因此，當線程反復對一個實例的字段進行賦值時，可能只會對工作拷貝進行指定（assign），此時只有指定的最后結果會在某個時刻拷貝到主存儲器（store-write）；也可能在每次指定時，都進行拷貝到主存儲器的操作（assign->store->write）。

三、線程的原子操作

Java語言規范定義了線程的六種原子操作：

read
負責從主存儲器（main memory）拷貝到工作存儲器（working memory）

write
與上述相反，負責從工作存儲器（working memory）拷貝到主存儲器（main memory）

use
表示線程引用工作存儲器（working memory）的值

assign
表示線程將值指定給工作存儲器（working memory）

lock
表示線程取得鎖定

unlock
表示線程解除鎖定

四、synchronied的本質 4.1 線程欲進入synchronized

線程欲進入synchronized時，會執行以下兩類操作：

強制寫入主存儲器（main memory）

當線程欲進入synchronized時，如果該線程的工作存儲器（working memory）上有未映像到主存儲器的拷貝，則這些內容會強制寫入主存儲器（store->write），則這些計算結果就會對其它線程可見（visible）。

工作存儲器（working memory）的釋放

當線程欲進入synchronized時，工作存儲器上的工作拷貝會被全部丟棄。之后，欲引用主存儲器上的值的線程，必定會從主存儲器將值拷貝到工作拷貝（read->load）。

4.2 線程欲退出synchronized

線程欲退出synchronized時，會執行以下操作：

強制寫入主存儲器（main memory）

當線程欲退出synchronized時，如果該線程的工作存儲器（working memory）上有未映像到主存儲器的拷貝，則這些內容會強制寫入主存儲器（store->write），則這些計算結果就會對其它線程可見（visible）。

注意：線程欲退出synchronized時，不會執行工作存儲器（working memory）的釋放操作。

五、volatile的本質

volatile具有以下兩種功能：

進行內存同步

volatile只能做內存同步，不能取代synchronized關鍵字做線程同步。
當線程欲引用volatile字段的值時，通常都會發生從主存儲器到工作存儲器的拷貝操作；相反的，將值指定給寫著volatile的字段后，工作存儲器的內容通常會立即映像到主存儲器

以原子（atomic）方式進行long、double的指定

六、Double Checked Locking Pattern的危險性 6.1 可能存在缺陷的單例模式

設計模式中有一種單例模式（Singleton Pattern），通常采用鎖來保證線程的安全性。

Main類：

//兩個Main線程同時調用單例方法getInstance
public class Main extends Thread {
    public static void main(String[] args) {
        new Main().start();
        new Main().start();
    }
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + MySystem.getInstance().getDate());
    }
}

單例類：

//采用延遲加載+雙重鎖的形式保證線程安全以及性能
public class MySystem {
    private static MySystem instance = null;
    private Date date = new Date();
?
    private MySystem() {
    }
    public Date getDate() {
        return date;
    }
    public static MySystem getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (MySystem.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new MySystem();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

分析：
上述Main類的MySystem.getInstance().getDate()調用可能返回null或其它值。
假設有兩個線程A和B，按照以下順序執行：

當線程A執行完A-4且未退出synchronized時，線程B開始執行，此時B獲得了A創建好的instance實例。
但是注意，此時instance實例可能并未完全初始化完成。
這是因為線程A制作MySystem實例時，會給date字段指定值new Date()，此時可能只完成了assign操作（線程A對工作存取器上的工作拷貝進行指定），在線程A退出synchronized時，線程A的工作存儲器上的值不保證一定會映像到主存儲器上（store->write）。

所以，當線程B在線程A退出前就調用MySystem.getInstance().getDate()方法的話，由于主存儲器上的date字段并未被賦值過，所以B得到的date字段就是未初始化過的。

注意：上面描述的這種情況是否真的會發生，取決于JVM，由Java語言規范決定。

解決方法：
采用懶加載模式，在MySystem類中直接為instance 字段賦值：
private static MySystem instance = new MySystem();

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