Java 存儲(chǔ)模型和共享對(duì)象詳解

很多程序員對(duì)一個(gè)共享變量初始化要注意可見(jiàn)性和安全發(fā)布（安全地構(gòu)建一個(gè)對(duì)象，并其他線程能正確訪問(wèn)）等問(wèn)題不是很理解，認(rèn)為Java是一個(gè)屏蔽內(nèi)存細(xì)節(jié)的平臺(tái)，連對(duì)象回收都不需要關(guān)心，因此談到可見(jiàn)性和安全發(fā)布大多不知所云。其實(shí)關(guān)鍵在于對(duì)Java存儲(chǔ)模型，可見(jiàn)性和安全發(fā)布的問(wèn)題是起源于Java的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

Java存儲(chǔ)模型原理

有很多書和文章都講解過(guò)Java存儲(chǔ)模型，其中一個(gè)圖很清晰地說(shuō)明了其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：

由上圖可知， jvm系統(tǒng)中存在一個(gè)主內(nèi)存(Main Memory或Java Heap Memory)，Java中所有變量都儲(chǔ)存在主存中，對(duì)于所有線程都是共享的。 每條線程都有自己的工作內(nèi)存(Working Memory)，工作內(nèi)存中保存的是主存中某些變量的拷貝，線程對(duì)所有變量的操作都是在工作內(nèi)存中進(jìn)行，線程之間無(wú)法相互直接訪問(wèn)，變量傳遞均需要通過(guò)主存完成。

這個(gè)存儲(chǔ)模型很像我們常用的緩存與數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系，因此由此可以推斷JVM如此設(shè)計(jì)應(yīng)該是為了提升性能，提高多線程的并發(fā)能力，并減少線程之間的影響。

Java存儲(chǔ)模型潛在的問(wèn)題

一談到緩存， 我們立馬想到會(huì)有緩存不一致性問(wèn)題，就是說(shuō)當(dāng)有緩存與數(shù)據(jù)庫(kù)不一致的時(shí)候，就需要有相應(yīng)的機(jī)制去同步數(shù)據(jù)。同理，Java存儲(chǔ)模型也有這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)一個(gè)線程在自己工作內(nèi)存里初始化一個(gè)變量，當(dāng)還沒(méi)來(lái)得及同步到主存里時(shí)，如果有其他線程來(lái)訪問(wèn)它，就會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)知的問(wèn)題。另外，JVM在底層設(shè)計(jì)上，對(duì)與那些沒(méi)有同步到主存里的變量，可能會(huì)以不一樣的操作順序來(lái)執(zhí)行指令，舉個(gè)實(shí)際的例子：

public class PossibleReordering { 
  static int x = 0, y = 0; 
  static int a = 0, b = 0; 
  public static void main(String[] args) 
      throws InterruptedException { 
    Thread one = new Thread(new Runnable() { 
      public void run() { 
        a = 1; 
        x = b; 
      } 
    }); 
    Thread other = new Thread(new Runnable() { 
      public void run() { 
        b = 1; 
        y = a; 
      } 
    }); 
    one.start(); other.start(); 
    one.join();  other.join(); 
    System.out.println("( "+ x + "," + y + ")"); 
  } 
} 

由于，變量x,y,a,b沒(méi)有安全發(fā)布，導(dǎo)致會(huì)不以規(guī)定的操作順序來(lái)執(zhí)行這次四次賦值操作，有可能出現(xiàn)以下順序：

出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題也可以理解，因?yàn)榧热贿@些對(duì)象不可見(jiàn)，也就是說(shuō)本應(yīng)該隔離在各個(gè)線程的工作區(qū)內(nèi)，那么對(duì)于有些無(wú)關(guān)順序的指令，打亂順序執(zhí)行在JVM看來(lái)也是可行的。

因此，總結(jié)起來(lái)，會(huì)有以下兩種潛在問(wèn)題：

1. 緩存不一致性
2. 重排序執(zhí)行
   

解決Java存儲(chǔ)模型潛在的問(wèn)題

為了能讓開(kāi)發(fā)人員安全正確地在Java存儲(chǔ)模型上編程，JVM提供了一個(gè)happens-before原則，有人整理得非常好，我摘抄如下：

1. 在程序順序中, 線程中的每一個(gè)操作, 發(fā)生在當(dāng)前操作后面將要出現(xiàn)的每一個(gè)操作之前.
2. 對(duì)象監(jiān)視器的解鎖發(fā)生在等待獲取對(duì)象鎖的線程之前.
3. 對(duì)volitile關(guān)鍵字修飾的變量寫入操作, 發(fā)生在對(duì)該變量的讀取之前.
4. 對(duì)一個(gè)線程的 Thread.start() 調(diào)用 發(fā)生在啟動(dòng)的線程中的所有操作之前.
5. 線程中的所有操作 發(fā)生在從這個(gè)線程的 Thread.join()成功返回的所有其他線程之前.
   

有了原則還不夠，Java提供了以下工具和方法來(lái)保證變量的可見(jiàn)性和安全發(fā)布：

1. 使用 synchronized來(lái)同步變量初始化。此方式會(huì)立馬把工作內(nèi)存中的變量同步到主內(nèi)存中
2. 使用 volatile關(guān)鍵字來(lái)標(biāo)示變量。此方式會(huì)直接把變量存在主存中而不是工作內(nèi)存中
3. final變量。常量?jī)?nèi)也是存于主存中
   

另外，一定要明確只有共享變量才會(huì)有以上那些問(wèn)題，如果變量只是這個(gè)線程自己使用，就不用擔(dān)心那么多問(wèn)題了
搞清楚Java存儲(chǔ)模型后，再來(lái)看共享對(duì)象可見(jiàn)性和安全發(fā)布的問(wèn)題就較為容易了

共享對(duì)象的可見(jiàn)性

當(dāng)對(duì)象在從工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存之前，那么它就是不可見(jiàn)的。若有其他線程在存取不可見(jiàn)對(duì)象就會(huì)引發(fā)可見(jiàn)性問(wèn)題，看下面一個(gè)例子：

public class NoVisibility { 
  private static boolean ready; 
  private static int number; 
  private static class ReaderThread extends Thread { 
    public void run() { 
      while (!ready) 
        Thread.yield(); 
      System.out.println(number); 
    } 
  } 
  public static void main(String[] args) { 
    new ReaderThread().start(); 
    number = 42; 
    ready = true; 
  } 
} 

按照正常邏輯，應(yīng)該會(huì)輸出42，但其實(shí)際結(jié)果會(huì)非常奇怪，可能會(huì)永遠(yuǎn)沒(méi)有輸出（因?yàn)閞eady為false），可能會(huì)輸出0（因?yàn)橹嘏判騿?wèn)題導(dǎo)致ready=true先執(zhí)行）。再舉一個(gè)更為常見(jiàn)的例子，大家都喜歡用只有set和get方法的pojo來(lái)設(shè)計(jì)領(lǐng)域模型，如下所示：

@NotThreadSafe 
public class MutableInteger { 
  private int value; 
  public int get() { return value; } 
  public void set(int value) { this.value = value; } 
} 

但是，當(dāng)有多個(gè)線程同時(shí)來(lái)存取某一個(gè)對(duì)象時(shí)，可能就會(huì)有類似的可見(jiàn)性問(wèn)題。
為了保證變量的可見(jiàn)性，一般可以用鎖、 synchronized關(guān)鍵字、 volatile關(guān)鍵字或直接設(shè)置為final

共享變量發(fā)布

共享變量發(fā)布和我們常說(shuō)的發(fā)布程序類似，就是說(shuō)讓本屬于內(nèi)部的一個(gè)變量變?yōu)橐粋€(gè)可以被外部訪問(wèn)的變量。發(fā)布方式分為以下幾種：

• 將對(duì)象引用存儲(chǔ)到公共靜態(tài)域
• 初始化一個(gè)可以被外部訪問(wèn)的對(duì)象
• 將對(duì)象引用存儲(chǔ)到一個(gè)集合里

安全發(fā)布和保證可見(jiàn)性的方法類似，就是要同步發(fā)布動(dòng)作，并使發(fā)布后的對(duì)象可見(jiàn)。

線程安全

其實(shí)當(dāng)我們把這些變量封閉在本線程內(nèi)訪問(wèn)，就可以從根本上避免以上問(wèn)題，現(xiàn)實(shí)中存在很多例子通過(guò)線程封閉來(lái)安全使用本不是線程安全的對(duì)象，比如：

1. swing的可視化組件和數(shù)據(jù)模型對(duì)象并不是線程安全的，它通過(guò)將它們限制到swing的事件分發(fā)線程中，實(shí)現(xiàn)線程安全
2. JDBC Connection對(duì)象沒(méi)有要求為線程安全，但JDBC的存取模式?jīng)Q定了一個(gè)Connection只會(huì)同時(shí)被一個(gè)線程使用
3. ThreadLocal把變量限制在本線程中共享

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