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Java中保證多線程間的數(shù)據(jù)共享的方法詳解

更新時(shí)間：2023年11月14日 11:54:23 作者：奔跑的毛球

這篇文章詳解的發(fā)給大家介紹了Java中是如何保證多線程間的數(shù)據(jù)共享的,文中通過(guò)圖文介紹的非常詳細(xì),對(duì)大家的學(xué)習(xí)或工作有一定的幫助,需要的朋友可以參考下

Java的內(nèi)存模型

稍微解釋一下CPU的緩存，這里CPU的緩存有三級(jí)，L1,L2和L3。

L1是訪問(wèn)速度最快的，是線程獨(dú)享。
L2次之，屬于內(nèi)核獨(dú)享。
L3是最慢的，是多核共享。

當(dāng)CPU執(zhí)行指令需要數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)先在L1，L2,L3中依次尋找，若是找不到，則會(huì)去JVM中尋找，而JMM則在CPU和主內(nèi)存之間來(lái)保證我們需要的可見(jiàn)性和有序性。

這個(gè)JMM就是Java內(nèi)存模型的核心，可見(jiàn)性有序性都是在這里實(shí)現(xiàn)。
而主內(nèi)存就是JVM，就是我們的堆內(nèi)存。

保證可見(jiàn)性的方式

可見(jiàn)性是指，當(dāng)多個(gè)線程操作同一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候，保證一個(gè)線程的修改對(duì)其他線程是可見(jiàn)的，也就是說(shuō)不管多個(gè)線程如何操作，如何并發(fā)，他們?cè)谕粫r(shí)間取到的值是相同的。

為了保證可見(jiàn)性，我們一般有以下幾種方案：

volatile

可以用volatile來(lái)修飾基本數(shù)據(jù)類型，可以保證每次CPU操作數(shù)據(jù)的時(shí)候，都直接操作的是主內(nèi)存的值。

文末我們會(huì)說(shuō)說(shuō)volatile的原理

synchronized

對(duì)于synchronized來(lái)說(shuō)，是誰(shuí)拿到鎖，誰(shuí)執(zhí)行操作，對(duì)于拿到鎖的線程來(lái)說(shuō)，前邊線程的操作是可見(jiàn)的。

我會(huì)另起一篇文章專門講解synchronized。

lock

lock是基于CAS和volatile的修改操作，可以保證操作數(shù)據(jù)時(shí)前邊操作的可見(jiàn)性。

final

final修飾的是常量啊，沒(méi)法寫，只讀，當(dāng)然是全局可見(jiàn)的

這里有一個(gè)小點(diǎn)：

我們清楚，volatile修飾基本數(shù)據(jù)類型的時(shí)候是可以保證可見(jiàn)性的，但是若是修飾的是引用數(shù)據(jù)類型呢？
一般沒(méi)人這么搞，甚至平時(shí)工作中volatile都很少使用，一不留神系統(tǒng)的性能會(huì)降低幾個(gè)維度。但是面試中常被問(wèn)到，我們可以這樣回答：若volatile修飾的是引用數(shù)據(jù)類型，則只能保證引用數(shù)據(jù)類型的地址是可見(jiàn)的，里邊的值不可見(jiàn)。就這。

volatile的底層實(shí)現(xiàn)

稍微看看volatile的底層實(shí)現(xiàn)吧，其實(shí)

volatile的底層是匯編的lock指令，這個(gè)指令會(huì)強(qiáng)行要求將值寫入主內(nèi)存，并且忽略Store Buffer這種緩存，從而達(dá)到可見(jiàn)性的目的，同時(shí)利用MESI協(xié)議，讓其他緩存行失效。

我們曉得將java文件編譯為class文件的時(shí)候，會(huì)基于JIT做優(yōu)化，調(diào)整指令的順序，從而提升執(zhí)行效率，這個(gè)過(guò)程叫指令重排。
在CPU層面也會(huì)調(diào)整指令的順序來(lái)提升性能。而這個(gè)指令重排會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題，我們看看volatile是如何解決這個(gè)問(wèn)題的。

原理

被volatile修飾的屬性，在編譯時(shí)會(huì)在先后增加內(nèi)存屏障。這里的提到的內(nèi)存屏障一般有四種

SS: StoreStore屏障前的讀寫操作必須全部完成，才會(huì)繼續(xù)屏障之后的操作
SL: StoreLoad屏障前的寫操作必須全部完成，才會(huì)繼續(xù)屏障之后的讀操作
LL: LoadLoad屏障前的讀操作必須全部完成，才能繼續(xù)屏障之后的讀操作
LS: LoadStore屏障前的讀操作必須全部完成，才能繼續(xù)屏障之后的寫操作

這里volatile的原理就如下

可以看到對(duì)于volatile的寫操作

之前添加了StoreStore內(nèi)存屏障，必須完成之前的讀寫操作才能繼續(xù)volatile的寫操作。
而后添加了StoreLoad屏障，要求其前邊的volatile寫操作完成，才能繼續(xù)之后的讀操作。

這樣就保證了在對(duì)volatile修飾的值執(zhí)行寫操作的時(shí)候，之前的讀寫操作已經(jīng)全部完成，而其后的讀操作在等待寫操作完成再去讀值。

而對(duì)于volatile的讀操作

在其后添加了一個(gè)LoadLoad屏障和LoadStore屏障，這里這個(gè)LoadLoad屏障不是很理解，查閱了諸多資料也沒(méi)有眉目，若是有小伙伴知曉的，煩請(qǐng)不吝賜教。
而LoadStore屏障則保證了volatile的讀操作全部完成之后，再繼續(xù)之后的寫操作。