Java 存儲模型和共享對象詳解

很多程序員對一個共享變量初始化要注意可見性和安全發(fā)布（安全地構(gòu)建一個對象，并其他線程能正確訪問）等問題不是很理解，認(rèn)為Java是一個屏蔽內(nèi)存細(xì)節(jié)的平臺，連對象回收都不需要關(guān)心，因此談到可見性和安全發(fā)布大多不知所云。其實(shí)關(guān)鍵在于對Java存儲模型，可見性和安全發(fā)布的問題是起源于Java的存儲結(jié)構(gòu)。

Java存儲模型原理

有很多書和文章都講解過Java存儲模型，其中一個圖很清晰地說明了其存儲結(jié)構(gòu)：

由上圖可知， jvm系統(tǒng)中存在一個主內(nèi)存(Main Memory或Java Heap Memory)，Java中所有變量都儲存在主存中，對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，線程對所有變量的操作都是在工作內(nèi)存中進(jìn)行，線程之間無法相互直接訪問，變量傳遞均需要通過主存完成。

這個存儲模型很像我們常用的緩存與數(shù)據(jù)庫的關(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存儲模型潛在的問題

一談到緩存， 我們立馬想到會有緩存不一致性問題，就是說當(dāng)有緩存與數(shù)據(jù)庫不一致的時候，就需要有相應(yīng)的機(jī)制去同步數(shù)據(jù)。同理，Java存儲模型也有這個問題，當(dāng)一個線程在自己工作內(nèi)存里初始化一個變量，當(dāng)還沒來得及同步到主存里時，如果有其他線程來訪問它，就會出現(xiàn)不可預(yù)知的問題。另外，JVM在底層設(shè)計(jì)上，對與那些沒有同步到主存里的變量，可能會以不一樣的操作順序來執(zhí)行指令，舉個實(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沒有安全發(fā)布，導(dǎo)致會不以規(guī)定的操作順序來執(zhí)行這次四次賦值操作，有可能出現(xiàn)以下順序：

出現(xiàn)這個問題也可以理解，因?yàn)榧热贿@些對象不可見，也就是說本應(yīng)該隔離在各個線程的工作區(qū)內(nèi)，那么對于有些無關(guān)順序的指令，打亂順序執(zhí)行在JVM看來也是可行的。

因此，總結(jié)起來，會有以下兩種潛在問題：

1. 緩存不一致性
2. 重排序執(zhí)行
   

解決Java存儲模型潛在的問題

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

1. 在程序順序中, 線程中的每一個操作, 發(fā)生在當(dāng)前操作后面將要出現(xiàn)的每一個操作之前.
2. 對象監(jiān)視器的解鎖發(fā)生在等待獲取對象鎖的線程之前.
3. 對volitile關(guān)鍵字修飾的變量寫入操作, 發(fā)生在對該變量的讀取之前.
4. 對一個線程的 Thread.start() 調(diào)用 發(fā)生在啟動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保證變量的可見性和安全發(fā)布：

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

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

共享對象的可見性

當(dāng)對象在從工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存之前，那么它就是不可見的。若有其他線程在存取不可見對象就會引發(fā)可見性問題，看下面一個例子：

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)該會輸出42，但其實(shí)際結(jié)果會非常奇怪，可能會永遠(yuǎn)沒有輸出（因?yàn)閞eady為false），可能會輸出0（因?yàn)橹嘏判騿栴}導(dǎo)致ready=true先執(zhí)行）。再舉一個更為常見的例子，大家都喜歡用只有set和get方法的pojo來設(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)有多個線程同時來存取某一個對象時，可能就會有類似的可見性問題。
為了保證變量的可見性，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)布和我們常說的發(fā)布程序類似，就是說讓本屬于內(nèi)部的一個變量變?yōu)橐粋€可以被外部訪問的變量。發(fā)布方式分為以下幾種：

• 將對象引用存儲到公共靜態(tài)域
• 初始化一個可以被外部訪問的對象
• 將對象引用存儲到一個集合里

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

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，就可以從根本上避免以上問題，現(xiàn)實(shí)中存在很多例子通過線程封閉來安全使用本不是線程安全的對象，比如：

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

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