• Java 多线程系列(8) —— 线程同步基础


    线程同步基础

    Synchronized

    Synchronized 关键字提供了一种锁机制,可以实现一个简单的策略来防止线程的干扰和内存一致性错误。即 Synchronized 能够确保共享变量之间的互斥访问,从而防止数据不一致的问题出现。

    Synchronized 关键字包括 moniter enter 和 moniter exit 两个 JVM 命令,他能够保证在任何线程执行到moniter enter 成功之前都必须从主存中获取数据,而不是从缓存中。在 moniter exit 运行成功之后,共享变量被更新后的值必须被刷入主存中。

    synchronized 的使用方式。

    1. 同步方法
    public class Test {
    	public synchronized void functionA() {
    		//...
    	}
    	
    	public synchronized static void functionB() {
    		//...
    	}
    }
    
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    其中 functionA 是对 this 对象加锁,而 functionB 是对 Test.class 对象加锁

    3. 同步方法块
    	public static Object MUTEX;
    	
    	public void functionA() {
    		synchronized(MUTEX) {
    			
    		}
    	}
    
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    用于放在同步代码块的对象一定是 Object 类型的对象

    Volatile

    Volatile 能够用于解决 32 位电脑中 64 位数据写入的原子性,内存可见性和禁止重排序的功能

    32 位系统中 64 位 数据写入的原子性

    在 32 位系统中写入 64 位数据,64 位的变量会被拆成两个 32 位进行进行写入,那么在写入一半时有其他线程来读取数据,那么会造成数据读取的错误

    内存可见性

    在线程写入一个数据时,会先向缓存中写入数据,稍后在写入到本地的主存中去。这就造成了一个线程写完了,另一个线程立刻去读取写入的数据,却读取到原先的值,虽然过一段时间后,可以读到这个数据,但是却是最终一致性,而不是强一致性。使用 volatile 后,则会立刻写入到主存中去,对其他线程可见。

    指令重排

    对于开发者而言,是希望程序按照顺序执行下去,但是对于计算机而言,则需要将没有依赖关系的指令进行重排序,以期获得更大的效率。

    例如,instance=new Instance(); 中有三个基础操作

    1. 分配一块内存
    2. 在内存上初始化成员变量
    3. 把 instance 引用指向内存
      其中,操作2 和操作 3 可能会被重排。在用户对于对象进行直接操作时,则会有可能引起操作空对象的异常。
    JMM

    传统的 x86 的布局如下图所示
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JYmsx3sO-1661482925988)(en-resource://database/805:1)]
    在 CPU 的缓存一致性协议下,多个CPU 之间的缓存不会出现不同步的问题。但是这却严重损耗了性能。

    为了降低性能损耗,又在计算单元和 L1 之间增加了 Store Buffer、Load Buffer。
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-pywFsGYZ-1661482925990)(en-resource://database/806:1)]
    从操作系统的角度来看这就相当于每一个逻辑 CPU 都有自己的缓存。

    由于每个逻辑 CPU 都有自己的缓存,这些缓存和主存之间是不完全同步的,因此也就会存在内存可见性问题。

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FsWUiZYR-1661482925991)(en-resource://database/808:1)]
    抽象到 Java 就是 JVM 的内存模型
    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AwsUxKeO-1661482925991)(en-resource://database/807:1)]

    as-if-serial 与 happen before

    只要操作之间没有数据依赖,编译器和CPU 可以进行任意重排序,执行的最终结果不会发生改变。这就是 as-if-serial 语义。

    但是在多线程情况下便不能保证 as-if-serial 语义。

    由于线程之间数据的依赖和相互影响,我们需要告知编译器和 CPU 在什么场景下可以进行重排序,什么时候不可以进行重排序。

    为此 JMM 引入了 happen before 语义。如果说 A happen before B 则就意味着, 操作 A 的结果对操作 B 必须可见。

    happen before 规定,对于 volatile 变量的写入操作必须对后续 volatile 变量的读取可见。

    同时 happen before 具有传递性,如果 A happen before B,B happen before C,那么 A happen before C。

    volatile 的使用

    volatile 只用于对变量的声明。

    public static volatile int c;
    
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    内存屏障

    内存屏障分为四种

    • LoadLoad:读读内存屏障,如果 A LoadLoad B ,则就意味着 Load 操作 A 必须在 Load 操作 B 前执行
    • StoreStore:写写内存屏障,如果 A StoreStore B,则就意味着 Store 操作 A 必须在 Store 操作 B 前执行
    • LoadStore:读写内存屏障,如果 A LoadStore B,则就意味着 Load 操作 A 必须在 Store 操作 B 前执行。
    • StoreLoad: 写读内存屏障,如果 A StoreLoad B,则就意味着 Store 操作 A 必须早 Load 操作 B 前执行。

    PS 上述 A 和 B 都是操作的代号,不是数据的代号。

    volatile 的内存屏障

    1. volatile 在写之前插入了一个 StoreStore 屏障,保证不会和之前的写操作发生重排序
    2. volatiel 在写操作后插入了一个 StoreLoad 屏障,保证不会和之后的读操作重排序
    3. volatile 读操作后插入了一个 LoadLoad 屏障和 LoadStore 屏障,保证不会和之后的读操作和写操作发生重排序。
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