1、java內(nèi)存模型與多線程技術(shù),yangjsalibaba-,主要內(nèi)容和目的,學(xué)習(xí)java多線程理論基礎(chǔ)：JMM(java內(nèi)存模型） 學(xué)習(xí)java多線程技術(shù)基礎(chǔ)：理解同步是如和工作 分析程序什么時(shí)候需要同步 澄清對(duì)volatile誤解，正確使用 Task Cancellation and Thread Shutdown策略 Lazy initialization Safety技術(shù),JMM(java內(nèi)存模型）,什么是Java內(nèi)存模型 Java內(nèi)存模型相關(guān)概念 java線程和內(nèi)存交互行為定義 Ordering /Thread 1 executes void to() a = 3; b = 4; /T

2、hread 2 executes void fro() System.out.println(a= + a + , b= + b); 類似計(jì)算機(jī)多級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，Working Memory類似Cache機(jī)制 問(wèn)題：變量a,b何時(shí)寫會(huì)main memory?,Ordering /Thread 1 executes void to() a = 3; /This can appear to happen second b = 4; / This can appear to happen first /Thread 2 executes void fro() System.out.println(a=

3、 + a + , b= + b); 下面哪種結(jié)果是正確的： a=1, b=2 a=1, b=4 a=3, b=2 a=3 ,b=4,Happens-Before Memory Model,類似釋放一致性模型 Partial ordering（happens-before） ：如果B能夠看到A動(dòng)作產(chǎn)生的結(jié)果，我們說(shuō)A happens-before B，JMM定義了一些這樣的規(guī)則，如： Program order rule. Each action in a thread happens-before every action in that thread that comes later in

4、the program order. Monitor lock rule. An unlock on a monitor lock happens-before every subsequent lock on that same monitor lock. Volatile variable rule. A write to a volatile field happens-before every subsequent read of that same field ,The rules for happens-before,JMM相關(guān)java語(yǔ)言規(guī)范,JMM定義了保證內(nèi)存操作跨線程的正確

5、的Ordering和visibility 方法 Java語(yǔ)言提供的技術(shù)和工具 synchronized 塊 volatile 變量(在JDK5+的JVM中得到修補(bǔ)） 工具類：java.util.concurrent.locks 原子變量java.util.concurrent.atomic Final變量(在JDK5+的JVM中得到修補(bǔ)）,正確的理解synchronized,synchronized 作用說(shuō)明 Synchronized內(nèi)存模型語(yǔ)義分析 如何判定多線程的程序何時(shí)需要Synchronized 同步需求的JMM內(nèi)存交互分析練習(xí) 鎖對(duì)象的引用在同步塊中發(fā)生修改會(huì)出現(xiàn)什么？ Hostsp

6、ot JVM的synchronized優(yōu)化技術(shù) 直接使用synchronized 不足之處,synchronized 作用說(shuō)明,Low level locking 什么時(shí)候需要synchronized ？ 一個(gè)變量有可能被多個(gè)線程訪問(wèn)，其中至少有一個(gè)線程是寫操作 每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)相關(guān)的lock對(duì)象（監(jiān)視器） java語(yǔ)言沒(méi)有提供分離的lock和unlock操作 ，但是在JVM提供了兩個(gè)單獨(dú)的指令monitorenter和monitorext來(lái)實(shí)現(xiàn) 特性 Atomicity ：Locking to obtain mutual exclusion Visibility ：Ensuring that

7、 changes to object fields made in one thread are seen in other threads(memory) Ordering： Ensuring that you arent surprised by the order in which statements are executed Blocking：Cant interrupt,Synchronized內(nèi)存模型語(yǔ)義分析,Synchronized：通過(guò)對(duì)象引用找到同步對(duì)象，然后獲取對(duì)象上的監(jiān)視器進(jìn)行鎖操作 當(dāng)線程進(jìn)入synchronized 塊之后首先要做的是清洗 threads worki

8、ng memory, 對(duì)塊內(nèi)使用到的變量要么執(zhí)行assign動(dòng)作要么對(duì)use的變量執(zhí)行 read-load原子操作從 main memory裝載新的值 當(dāng)線程退出synchronized 塊之前,對(duì)它在working memory中所有的 assigned values執(zhí)行 store write原子操作，寫回main memory,Synchronized內(nèi)存模型語(yǔ)義分析,Example: / block until obtain lock synchronized(obj) / get main memory value of field1 and field2 int x = obj.f

9、ield1; int y = obj.field2; obj.field3 = x+y; / commit value of field3 to main memory / release lock,如何分析多線程并發(fā)需求,class SynchSimple int a = 1, b = 2; /Thread 1 executes synchronized void to() a = 3; b = 4; /Thread 2 executes void fro() System.out.println(a= + a + , b= + b); 以下哪種結(jié)果是正確的？ a=1, b=2 a=1, b

10、=4 a=3, b=2 a=3 ,b=4 這是一個(gè)線程安全的類嗎？ 接下來(lái)我們通過(guò)JMM語(yǔ)義來(lái)分析這個(gè)例子,JMM內(nèi)存交互分析,JMM內(nèi)存交互分析,SynchSimple 分析： write a 和 write b 在synchronized 規(guī)則中并沒(méi)有規(guī)定發(fā)生的順序約束 read a 和 read b. 同樣也沒(méi)有規(guī)定發(fā)生的順序 結(jié)果說(shuō)明的什么問(wèn)題？對(duì)一個(gè)方法聲明synchronized 并不能夠保證這個(gè)方法行為產(chǎn)生的結(jié)果是一個(gè)原子操作，也就是說(shuō)write a 和 write b 兩個(gè)操作在main memory不是原子行為，雖然單個(gè)都是原子操作。,下面我們做一個(gè)練習(xí)：,JMM內(nèi)存交互分析

11、練習(xí),Example: class Foo int a = 1, b = 2; synchronized void to() a = 3; b = 4; synchronized void fro() System.out.println(a= + a + , b= + b); 分析結(jié)果是什么？,問(wèn)題？,這個(gè)方法的同步塊有可能被多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行！ 有可能在intArr.length size的條件下獲得兩把不同的鎖,鎖對(duì)象的引用在同步塊中發(fā)生修改會(huì)出現(xiàn)什么？ public void foo(int isze) synchronized(intArr) if(intArr.length size

12、) int newIntArr = new intsize; System.arraycopy(intArr,0,newIntArr,0,intArr.length); intArr = newintArr; ,直接使用synchronized 不足之處和發(fā)展,不能夠擴(kuò)越多個(gè)對(duì)象 當(dāng)在等待鎖對(duì)象的時(shí)候不能中途放棄，直到成功 等待沒(méi)有超時(shí)限制 Terrupt()不能中斷阻塞 JDK5中提供更加靈活的機(jī)制：Lock和Condition synchronized在JDK6中性能將會(huì)有很大提升,Hostspot JVM的synchronized優(yōu)化技術(shù),鎖省略：鎖對(duì)象的引用時(shí)線程本地

13、對(duì)象（線程的堆棧內(nèi)的對(duì)象） public String getStoogeNames() Vector v = new Vector(); v.add(Moe); v.add(Larry); v.add(Curly); return v.toString(); ,Hostspot JVM的synchronized優(yōu)化技術(shù),鎖粗化：鎖粗化就是把使用同一鎖對(duì)象的相鄰?fù)綁K合并的過(guò)程 public void addStooges(Vector v) v.add(Moe); v.add(Larry); v.add(Curly); ,Hostspot JVM的synchronized優(yōu)化技術(shù),自適應(yīng)鎖優(yōu)

14、化技術(shù) 實(shí)現(xiàn)阻塞有兩種的技術(shù)，即讓操作系統(tǒng)暫掛線程，直到線程被喚醒，或者使用旋轉(zhuǎn)（spin） 鎖。旋轉(zhuǎn)鎖基本上相當(dāng)于以下代碼： while (lockStillInUse) ； Hotspot JVM可以對(duì)持有時(shí)間短的鎖使用旋轉(zhuǎn)，對(duì)持有時(shí)間長(zhǎng)的鎖使用暫掛。,理解和使用Volatile變量,Volatile變量的內(nèi)存模型分析 使用valatile JDK5的util.concurrent.atomic,Volatile變量的內(nèi)存模型分析,“不要相信volatile ”，這種說(shuō)法已經(jīng)過(guò)時(shí) 舊的內(nèi)存模型：保證讀寫volatile都直接發(fā)生在main memory中，線程的working memory

15、不進(jìn)行緩存 僅僅保證這些volatile使用的價(jià)值和意義不大 在新的內(nèi)存模型下對(duì)volatile的語(yǔ)義進(jìn)行了修補(bǔ)和增強(qiáng) 如果當(dāng)線程 A 寫入 volatile 變量 V 而線程 B 讀取 V 時(shí)，那么在寫入 V 時(shí)，A 可見(jiàn)的所有變量值現(xiàn)在都可以保證對(duì) B 是可見(jiàn)的。結(jié)果就是作用更大的 volatile 語(yǔ)義，代價(jià)是訪問(wèn) volatile 字段時(shí)會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生了一點(diǎn)點(diǎn)的影響。（A volatile var write happens-before read of the var),Volatile變量的內(nèi)存模型分析,volatile 的舊語(yǔ)義只承諾正在讀和寫的變量的可見(jiàn)性，仍然參與排序。這樣導(dǎo)致

16、排序問(wèn)題。新的內(nèi)存模型修補(bǔ)了這一點(diǎn) 實(shí)際上，對(duì) volatile 字段的每一次讀或者寫都像是“半個(gè)”同步。 對(duì) volatile 的讀有與monitor enter的內(nèi)存語(yǔ)義， 對(duì) volatile 的寫有與monitor exit的同樣的語(yǔ)義。,Volatile Guarantees Visibility,Stop 用volatile修飾來(lái)保證變量的寫可見(jiàn)性 class Task implements Runnable private volatile boolean stop = false; public void stop() stop = true; public void run(

17、) while (!stop) runTask(); try Thread.sleep(100); ; private void runTask() /*.*/ ,Volatile Guarantees Ordering,If a thread reads data, there is a happens-before edge from write to read of ready that guarantees visibility of data （A volatile ready write happens-before read of the ready),使用valatile,vo

18、latile 變量+操作不是原子行為 volatile int x= 1; x+;/不是一個(gè)原子操作,需要多條指令 Volatile 變量比 synchronization要便宜很多 在jdk5中推薦采用 util.concurrent.atomic 工作機(jī)制類似Volatile 同時(shí)提供了簡(jiǎn)單運(yùn)算的原子行為,JDK5的util.concurrent.atomic,get() 具有讀取 volatile 變量的內(nèi)存效果。 set() 具有寫入（分配） volatile 變量的內(nèi)存效果 支持操作： getAndSet getAndAdd addAndGet getAndDecrement get

19、AndIncrement decrementAndGet incrementAndGet 只要你有足夠的能力，用Atomic變量能夠?qū)崿F(xiàn)所有的同步,Cancellation and Shutdown,Cancellation and Shutdown Task cancellation policy 設(shè)計(jì) Cancellation policy ：Interruption 正確處理InterruptedException,Cancellation and Shutdown,clean up any work then terminate.(Safe terminate) 為什么需要cancel

20、lable （中斷正在進(jìn)行的活動(dòng)） User-requested cancellation Time-limited activities Application events Errors Shutdown 安全快速可靠結(jié)束一個(gè)線程是一個(gè)比較復(fù)雜的話題 Java沒(méi)有提供安全的強(qiáng)迫一個(gè)Thread結(jié)束的方法 Java provides interruption, a cooperative mechanism,cancellation policy 設(shè)計(jì),How: how other code can request cancellation When：when the task checks

21、 whether cancellation has been requested What：what actions the task takes in response to a cancellation request.,Example: cancellation policy 設(shè)計(jì),class Task implements Runnable private volatile boolean stop = false; public void stop() stop = true; public void run() while (!stop) runTask(); try Thread

22、.sleep(100); ; private void runTask() /*.*/ ,Example: cancellation policy 設(shè)計(jì)分析,How,When,How? 問(wèn)題： polling loops，只有一個(gè)檢查點(diǎn) 線程不能立刻結(jié)束，要等到檢測(cè)的時(shí)候 遇到Blocking method有可能無(wú)法中止 檢查的變量必須是volatile修飾的,Cancellation policy ：Interruption,禮貌地勸告另一個(gè)線程在它愿意并且方便的時(shí)候停止它正在做的事情。(Interruption is a cooperative mechanism ) Thread中斷狀態(tài)

23、（interrupted status）：線程的一個(gè)內(nèi)部屬性，類型：boolean,初始值：false. Terrupt()：設(shè)置interrupted status 為true,interruption Policy 分析,分析： How:Terrupt()方法. interrupt() 只是設(shè)置線程的中斷狀態(tài)。表示當(dāng)前線程應(yīng)該停止運(yùn)行。 When:在 Thread.sleep()、 Thread.join() 或 Object.wait()等方法中取消阻塞并拋出 InterruptedException,也可以程序檢測(cè)： 輪詢中斷狀態(tài)：Thread.is

24、Interrupted() 讀取并清除：Terrupted() InterruptibleChannel (java.nio):Most standard Channels implement InterruptibleChannel 等待獲取文件鎖定時(shí)可以被另一個(gè)線程中斷,Cancellation policy ：Interruption,Interruption is usually the most sensible way to implement cancellation 其他問(wèn)題 不能打斷一些IO操作，比如文件操作 無(wú)法終止在synchronized塊上鎖住的Th

25、read Synchronous socket I/O in java.io,InterruptedException,檢查型異常：java.lang.InterruptedException 當(dāng)線程在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)一直處于正在等待、休眠或暫停狀態(tài)（Object.wait(), Object.wait(long), Object.wait(long, int), Thread.sleep(long)），而另一個(gè)線程用 Thread 類中的 interrupt 方法中斷它時(shí)，拋出該異常。 阻塞（blocking）方法 方法簽名包括拋出 InterruptedException，調(diào)用一個(gè)阻塞方法則

26、意味著這個(gè)方法也是一個(gè)阻塞方法 當(dāng)中斷阻塞方法時(shí)，拋出InterruptedException Thread 在 Thread.sleep() 和 Object.wait() 等方法中支持的取消機(jī)制,表明可以提前返回。 當(dāng)一個(gè)阻塞方法檢測(cè)到中斷并拋出 InterruptedException 時(shí)，它清除中斷狀態(tài),如何處理InterruptedException,錯(cuò)誤的做法：swallow interruption requests try Task task = queue.take(); task.execute(); catch (InterruptedException e) log.e

27、rror(); ,如何處理InterruptedException,Restore the interrupt 如果真的要湮滅InterruptedException，應(yīng)該保留被別人中斷的證據(jù)，交給高層去決定。 /恰當(dāng)?shù)淖龇ǎ?try Task task = queue.take(); task.execute(); catch (InterruptedException e) log.error(); Thread.currentThread().interrupt(); Propagate the InterruptedException 重新拋出它 ，如果拋到頂層，可以結(jié)束當(dāng)前線程,Double-Checked Locking,目的：在多線程應(yīng)用中用來(lái)lazy initialization并保證Singlen 在java語(yǔ)言中DCL不成立 / Broken multithreaded version