【慕课网学习笔记】Java共享变量的可见性和原子性
2016-10-30 23:34
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1. Java内存模型(Java Memory Model, JMM)
Java的内存模型如下,所有变量都存储在主内存中,每个线程都有自己的工作内存。
共享变量:如果一个变量在多个线程中都使用到了,那么这个变量就是这几个线程的共享变量。
可见性:一个线程对共享变量的修改,能够及时地到主内存并且让其他的线程看到。
怎么理解上面的可见性的意思呢?
线程对共享变量的修改,只能在自己的工作内存里操作,不能直接对主内存中的共享变量进行修改。而且一个线程不能直接访问另一个线程中的变量的值,只能通过主内存进行共享传递。
那么就要求线程A对共享变量修改后,及时地更新到主内存中,线程B才可以及时地从主内存获取最新的值到工作内存。
比如一个共享变量int i = 0; 线程A将其改为i =1; 其他线程此时获取i的值,应该能及时地得到1,而不是0。
2. synchronized实现可见性
synchronized除了常见的原子性,还实现了可见性。这是因为:
1) 线程解锁前,必须把共享变量的最新值刷新到主内存中去;
2) 线程加锁时,将清空工作内存中的共享变量的值,使用到共享变量时,从主内存中获取最新的共享变量值(加锁和解锁需要同一把锁)
3. volatile实现可见性
通过内存屏障和禁止重排序优化来实现可见性。
1) 对共享变量进行写操作后,加入一条store屏障指令,强制将共享变量的值刷新到主内存;
2) 对共享变量进行读操作前,加入一条load屏障指令,强制从主内存中将最新值刷新到工作内存;
4.volatile不能保证原子性
一个比较典型的例子是++运算符。
在下面的代码中,一共创建了1000个线程,预期应该是加了1000次,那么number的值应该是1000,实际上有可能并不是。
这是因为,++运算符并不是一次操作。以number++为例,可以看作是,先从主内存中取出number的值,然后将其加1,刷新工作内存,刷新主内存,这么几个步骤。
而volatile并不能保证原子性,这就意味着,有可能出现这种情况:
1)线程A获取到主内存的number的值(假设为10)到工作内存
2)此时CPU调度,A暂停,线程B开始执行,同样从主内存中获取到number为10,number++后,number为11,刷新到主内存
3)线程A继续执行number++,它的工作内存中number为10,执行完毕刷新到主内存,此时,number的值为11. 也就是说,AB两个线程同时进行了+1操作,但最终的结果,只加了1
5.volatile适用场景
1)对共享变量的写操作,不依赖于其之前的值
不合适:number++, number = number * 2, number += 1等
合适:boolean值
2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中,也就是说,不同的volatile变量之间,不能互相依赖
6.AtomicInteger实现递增
上面我们已经知道一个整型的共享变量要实现递增,如果使用++运算符,即使加上volatile关键字,也是无法保证其原子性的。而如果在访问变量时加上synchronized块,或者可重入锁,开销又太大。
JDK1.5之后,可以使用AtomicInteger进行递增。该类是线程安全的。
将上面的代码修改如下,就可以保证原子性和可见性。
Java的内存模型如下,所有变量都存储在主内存中,每个线程都有自己的工作内存。
共享变量:如果一个变量在多个线程中都使用到了,那么这个变量就是这几个线程的共享变量。
可见性:一个线程对共享变量的修改,能够及时地到主内存并且让其他的线程看到。
怎么理解上面的可见性的意思呢?
线程对共享变量的修改,只能在自己的工作内存里操作,不能直接对主内存中的共享变量进行修改。而且一个线程不能直接访问另一个线程中的变量的值,只能通过主内存进行共享传递。
那么就要求线程A对共享变量修改后,及时地更新到主内存中,线程B才可以及时地从主内存获取最新的值到工作内存。
比如一个共享变量int i = 0; 线程A将其改为i =1; 其他线程此时获取i的值,应该能及时地得到1,而不是0。
2. synchronized实现可见性
synchronized除了常见的原子性,还实现了可见性。这是因为:
1) 线程解锁前,必须把共享变量的最新值刷新到主内存中去;
2) 线程加锁时,将清空工作内存中的共享变量的值,使用到共享变量时,从主内存中获取最新的共享变量值(加锁和解锁需要同一把锁)
3. volatile实现可见性
通过内存屏障和禁止重排序优化来实现可见性。
1) 对共享变量进行写操作后,加入一条store屏障指令,强制将共享变量的值刷新到主内存;
2) 对共享变量进行读操作前,加入一条load屏障指令,强制从主内存中将最新值刷新到工作内存;
4.volatile不能保证原子性
一个比较典型的例子是++运算符。
在下面的代码中,一共创建了1000个线程,预期应该是加了1000次,那么number的值应该是1000,实际上有可能并不是。
这是因为,++运算符并不是一次操作。以number++为例,可以看作是,先从主内存中取出number的值,然后将其加1,刷新工作内存,刷新主内存,这么几个步骤。
而volatile并不能保证原子性,这就意味着,有可能出现这种情况:
1)线程A获取到主内存的number的值(假设为10)到工作内存
2)此时CPU调度,A暂停,线程B开始执行,同样从主内存中获取到number为10,number++后,number为11,刷新到主内存
3)线程A继续执行number++,它的工作内存中number为10,执行完毕刷新到主内存,此时,number的值为11. 也就是说,AB两个线程同时进行了+1操作,但最终的结果,只加了1
public class VolatileDemo { private int number = 0; public void increase() { number++; } public int getNumber() { return number; } public static void main(String[] args) { final VolatileDemo demo = new VolatileDemo(); for (int i = 0; i <= 999; i++) { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { demo.increase(); } }).start(); } //线程未执行完,主线程让出CPU资源 while(Thread.activeCount() > 1){ Thread.yield(); } //待上面的线程都执行完了,再打印,避免打印的不是最后的数据 System.out.println(demo.getNumber()); } }
5.volatile适用场景
1)对共享变量的写操作,不依赖于其之前的值
不合适:number++, number = number * 2, number += 1等
合适:boolean值
2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中,也就是说,不同的volatile变量之间,不能互相依赖
6.AtomicInteger实现递增
上面我们已经知道一个整型的共享变量要实现递增,如果使用++运算符,即使加上volatile关键字,也是无法保证其原子性的。而如果在访问变量时加上synchronized块,或者可重入锁,开销又太大。
JDK1.5之后,可以使用AtomicInteger进行递增。该类是线程安全的。
将上面的代码修改如下,就可以保证原子性和可见性。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class VolatileDemo { private AtomicInteger number = new AtomicInteger(0); public void increase() { number.incrementAndGet(); } public int getNumber() { return number.intValue(); } public static void main(String[] args) { final VolatileDemo demo = new VolatileDemo(); for (int i = 0; i <= 999; i++) { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { demo.increase(); } }).start(); } //线程未执行完,主线程让出CPU资源 while(Thread.activeCount() > 1){ Thread.yield(); } //待上面的线程都执行完了,再打印,避免打印的不是最后的数据 System.out.println(demo.getNumber()); } }
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