并发的相关的几个疑问

曾经终败给现在 2022-07-12 07:58 144阅读 0赞

# 缓存一致性问题 #

参考下图，同一块主内存区域的值在处理器中多个处理单元处理了，都同时写入的时候，就需要决定是以谁的值为准，这个问题就是 **缓存一致性问题**

解决办法就是定义一套协议来处理，JVM中也有类似的协议来处理主内存与工作内存之间缓存一致性问题。

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处理器、高速缓存、主内存间的交互关系

![java_memory_model.png][]

线程、主内存、工作内存三者的交互关系

# JVM缓存一致性问题解决协议？ #

**Java内存模型中定义了以下8中操作来完成主内存与工作内存之间交互的实现细节：**

1、luck（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标示为一条线程独占的状态。

2、unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。

3、read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到工作内存中，以便随后的load动作使用。

4、load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。

5、use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中的一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值得字节码指令时将会执行这个操作。

6、assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。

7、store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中的一个变量的值传递到主内存中，以便随后的write操作使用。

8、write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量值放入主内存的变量中。

**Java内存模型还规定了执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：**

1、不允许read和load、store和write操作之一单独出现，以上两个操作必须按顺序执行，但没有保证必须连续执行，也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的。

2、不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。

3、不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。

4、一个新的变量只能从主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，换句话说就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。

5、一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其执行lock操作，但lock操作可以被同一个条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。

6、如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。

7、如果一个变量实现没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。

8、对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存（执行store和write操作）。

# 先行发生原则 #

*  程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程中，按照程序代码顺序，书写在前面的代码操作先行发生于后面的操作
 *  管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。“后面”指的是时间的先后顺序。
 *  volatile 变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个 volatile 变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。“后面”指的是时间的先后顺序。
 *  线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread 对象的 start() 方法先行发生于此线程的每一个动作。
 *  线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中所有操作先行发生于对此线程的终止检测。
 *  线程中断规则（Thread Interruption Rule）：对线程 interrupt() 方法的调用先行发生于代码检测到中断事件的发生。
 *  对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数结束）先行发生于它的 finalize() 方法的开始。
 *  传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那么操作A先行发生于操作C。

时间的先后与先行发生原则并没有太多关系

# volatile变量的特点 #

1、保证可见性，也就是说对volatile变量进行写入操作的时候，其它线程能立即看到变化，而普通变量是做不到的。实现的原理就是volatile变量每次使用前都会去刷新，而每次写入都会实时同步到主内存中。

2、volatile变量并不是并发安全的，虽然我们能立即看到volatile变量的最新值，但volatile变量参与的运算，并不是一个原子操作。

volatile变量适用的场景就是一个控制线程操作，其它work线程依赖它来进行决策，这种情况下不需要用锁就能实现并发安全的效果

# 原子类的实现基础 #

硬件支持的组合原子指令（CAS）是实现基础，如：

测试并设置；

获取并增加；

交换；

比较并交换；

加载链条/条件存储；

# 线程安全的分类 #

1、不可变；例如final对象或者属性，如果在初使化过程中没有this引用的逃逸，初始完成后，就一定是线程安全的；

2、绝对线程安全；不需要任何外加辅助，类本身就能实现完全的线程安全访问，则认为这种类是绝对线程安全的；

3、相对线程安全；单个方法的调用是安全的，但是如果涉及到多个方法的调用，则不一定能保证线程安全的；jdk里边提供的很多系统类，如vector、HashTable、StringBuilder等，都是简单的在单个方法上

加syncronized加实现安全，所以都只能保证单个方法的安全，是典型的相对线程安全类。

4、线程兼容；通过辅助工具，如加锁，可以实现线程安全的类，就是线程兼容；

5、线程对立；无论如何都无法实现线程安全。

# 线程安全的实现方法 #

1、互斥同步；典型就是使用syncronized以及java.util.concurrent包里边的ReentrantLock；因为需要线程阻塞，也叫做阻塞式同步；

2、非阻塞同步；不需要线程阻塞，相比阻塞锁是悲观锁，这个是乐观锁，比如说原子类就都是非阻塞同步，实现的基础是硬件支持的组合原子指令；

3、无同步方案；如可重入代码（例如不引用共享数据的局部方法）、线程本地存储（thread local storage）

# 锁优化的常用手段有哪些？ #

锁作为最常用保证线程安全的工具，用的不好会导致死锁，或者本来可以并发的变成了串行，降低了执行效率。

死锁问题靠的是编码逻辑实现的谨慎，而锁的优化，则能大大的降低锁对程序效率的影响。

1、自旋锁与自适应自旋；

不让出对CPU的占用时间，而是循环等待获得对应的锁。如果锁占用时间很短，自旋等待的效果就会非常好；反之，如果锁被占用的时间特别长，那么自旋的线程只会白白的浪费处理器资源，而不会做任何有用的工作，反而会带来性能上的浪费；我的理解是如果自旋的时间比线程上下文切换的代价还要大，就不如直接阻塞而不是自旋了。

2、锁消除；

虚拟机检测到一段代码上不存在共享数据竞争的问题，就会把锁消除；

3、锁粗化；

一般我们是尽量把锁的范围减小。但是有时候反其道而行之也能提高效率，在一段代码中反复对同一个锁加锁解锁，就可以直接对整块代码加锁，以减少操作锁的开销；

4、轻量级锁；

5、偏向锁；

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