1. 引言并發(fā)編程是 Java 開(kāi)發(fā)者進(jìn)階的必經(jīng)之路而理解 Java 內(nèi)存模型Java Memory ModelJMM則是掌握并發(fā)安全的基石。很多初學(xué)者在編寫(xiě)多線(xiàn)程程序時(shí)會(huì)遇到「明明改了變量另一個(gè)線(xiàn)程卻看不到」「程序運(yùn)行結(jié)果不穩(wěn)定」等詭異問(wèn)題這些往往都與 JMM 的三大特性——可見(jiàn)性、原子性、有序性——有關(guān)。本文將從 JMM 的核心概念出發(fā)依次講解 volatile 能解決什么、不能解決什么synchronized 的鎖升級(jí)機(jī)制以及 happens-before 規(guī)則最后通過(guò)實(shí)戰(zhàn)案例幫助你把這些知識(shí)串起來(lái)。2. 從 JMM 說(shuō)起可見(jiàn)性、原子性、有序性Java 內(nèi)存模型規(guī)定了多線(xiàn)程環(huán)境下共享變量的讀寫(xiě)規(guī)則其核心是解決三個(gè)問(wèn)題可見(jiàn)性、原子性、有序性。2.1 可見(jiàn)性Visibility可見(jiàn)性指的是當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程修改了共享變量的值其他線(xiàn)程能夠立即看到這個(gè)修改。在 JMM 中每個(gè)線(xiàn)程都有自己的工作內(nèi)存可以理解為 CPU 緩存線(xiàn)程對(duì)變量的讀寫(xiě)都發(fā)生在工作內(nèi)存中再同步回主內(nèi)存。如果缺少同步機(jī)制一個(gè)線(xiàn)程的修改可能不會(huì)及時(shí)刷新到主內(nèi)存其他線(xiàn)程讀到的就是舊值。publicclassVisibilityDemo{privatestaticbooleanflagfalse;publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{ThreadreadernewThread(()-{while(!flag){// 空轉(zhuǎn)等待}System.out.println(flag 變?yōu)?true退出循環(huán));});reader.start();Thread.sleep(100);flagtrue;// 主線(xiàn)程修改 flag}}上面的代碼中reader線(xiàn)程可能永遠(yuǎn)無(wú)法退出循環(huán)因?yàn)橹骶€(xiàn)程對(duì)flag的修改對(duì)reader線(xiàn)程不可見(jiàn)。2.2 原子性Atomicity原子性指的是一個(gè)操作要么全部執(zhí)行成功要么全部不執(zhí)行中間不能被其他線(xiàn)程打斷。Java 中對(duì)基本類(lèi)型的賦值和讀取如int x 1是原子的但i這種「讀-改-寫(xiě)」復(fù)合操作并不是原子的它實(shí)際上包含三步讀取 i、計(jì)算 i1、寫(xiě)回 i。在多線(xiàn)程環(huán)境下這會(huì)導(dǎo)致結(jié)果丟失更新。publicclassAtomicityDemo{privatestaticintcount0;publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{Thread[]threadsnewThread[10];for(inti0;i10;i){threads[i]newThread(()-{for(intj0;j10000;j){count;}});threads[i].start();}for(Threadt:threads){t.join();}System.out.println(count count);// 結(jié)果通常小于 100000}}2.3 有序性O(shè)rdering有序性指的是程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。但為了提升性能編譯器和 CPU 可能會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序reordering只要重排序后的結(jié)果與單線(xiàn)程執(zhí)行結(jié)果一致即可。在多線(xiàn)程環(huán)境下重排序可能導(dǎo)致意想不到的問(wèn)題。publicclassOrderingDemo{privatestaticintx0,y0;privatestaticinta0,b0;publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{for(inti0;i100000;i){x0;y0;a0;b0;Threadt1newThread(()-{a1;xb;});Threadt2newThread(()-{b1;ya;});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();if(x0y0){System.out.println(第 i 次出現(xiàn)重排序);}}}}3. volatile能解決什么不能解決什么volatile 是 Java 提供的最輕量的同步機(jī)制它主要解決可見(jiàn)性和有序性問(wèn)題。3.1 volatile 能解決什么保證可見(jiàn)性volatile 變量的寫(xiě)操作會(huì)立即刷新到主內(nèi)存讀操作會(huì)從主內(nèi)存讀取從而保證其他線(xiàn)程能看到最新值。保證有序性volatile 通過(guò)內(nèi)存屏障禁止指令重排序保證 volatile 變量讀寫(xiě)前后的指令順序。publicclassVolatileDemo{privatestaticvolatilebooleanflagfalse;publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{ThreadreadernewThread(()-{while(!flag){// 空轉(zhuǎn)等待}System.out.println(flag 變?yōu)?true退出循環(huán));});reader.start();Thread.sleep(100);flagtrue;// volatile 保證 reader 線(xiàn)程能看到}}3.2 volatile 不能解決什么不能保證原子性volatile 無(wú)法解決i這類(lèi)復(fù)合操作的原子性問(wèn)題因?yàn)椤缸x-改-寫(xiě)」三步之間仍可能被其他線(xiàn)程打斷。publicclassVolatileNotAtomicDemo{privatestaticvolatileintcount0;publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{Thread[]threadsnewThread[10];for(inti0;i10;i){threads[i]newThread(()-{for(intj0;j10000;j){count;}});threads[i].start();}for(Threadt:threads){t.join();}System.out.println(count count);// 仍然小于 100000}}適用場(chǎng)景總結(jié)適合狀態(tài)標(biāo)志位、單次發(fā)布不可變對(duì)象、作為「輕量級(jí)鎖」使用。不適合需要保證原子性的復(fù)合操作、多個(gè)變量之間的約束關(guān)系。4. synchronized鎖升級(jí)與原理synchronized 是 Java 內(nèi)置的同步機(jī)制既能保證原子性也能保證可見(jiàn)性和有序性。它的底層實(shí)現(xiàn)經(jīng)歷了從重量級(jí)鎖到輕量級(jí)鎖的演進(jìn)這就是所謂的「鎖升級(jí)」。4.1 synchronized 的基本用法publicclassSynchronizedDemo{privateintcount0;// 同步方法publicsynchronizedvoidincrement(){count;}// 同步代碼塊publicvoidincrementBlock(){synchronized(this){count;}}}4.2 鎖升級(jí)過(guò)程Java 6 之后synchronized 引入了偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖的升級(jí)機(jī)制目的是在競(jìng)爭(zhēng)不激烈時(shí)減少鎖開(kāi)銷(xiāo)。有其他線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)自旋失敗/競(jìng)爭(zhēng)加劇無(wú)鎖狀態(tài)偏向鎖輕量級(jí)鎖重量級(jí)鎖偏向鎖只有一個(gè)線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)同步塊時(shí)鎖會(huì)偏向該線(xiàn)程減少不必要的 CAS 操作。輕量級(jí)鎖當(dāng)有第二個(gè)線(xiàn)程競(jìng)爭(zhēng)時(shí)偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖通過(guò)自旋等待獲取鎖。重量級(jí)鎖當(dāng)自旋超過(guò)閾值或競(jìng)爭(zhēng)激烈時(shí)升級(jí)為重量級(jí)鎖依賴(lài)操作系統(tǒng)互斥量線(xiàn)程會(huì)阻塞。4.3 synchronized 與 volatile 的對(duì)比特性volatilesynchronized原子性不保證保證可見(jiàn)性保證保證有序性保證禁止重排序保證性能開(kāi)銷(xiāo)較小較大有鎖升級(jí)優(yōu)化適用場(chǎng)景狀態(tài)標(biāo)志、單次發(fā)布復(fù)合操作、臨界區(qū)5. happens-before 規(guī)則與實(shí)戰(zhàn)案例happens-before 是 JMM 定義的一組規(guī)則用來(lái)判斷兩個(gè)操作之間是否存在「先行發(fā)生」關(guān)系。如果 A happens-before B那么 A 的執(zhí)行結(jié)果對(duì) B 可見(jiàn)且 A 的指令順序在 B 之前。5.1 核心 happens-before 規(guī)則程序順序規(guī)則同一個(gè)線(xiàn)程中前面的操作 happens-before 后面的操作。監(jiān)視器鎖規(guī)則對(duì)一個(gè)鎖的解鎖 happens-before 后續(xù)對(duì)這個(gè)鎖的加鎖。volatile 變量規(guī)則對(duì)一個(gè) volatile 變量的寫(xiě) happens-before 后續(xù)對(duì)這個(gè)變量的讀。傳遞性規(guī)則如果 A happens-before BB happens-before C則 A happens-before C。5.2 實(shí)戰(zhàn)案例雙重檢查鎖單例經(jīng)典的線(xiàn)程安全單例模式結(jié)合 volatile 和 synchronizedpublicclassSingleton{privatestaticvolatileSingletoninstance;privateSingleton(){}publicstaticSingletongetInstance(){if(instancenull){// 第一次檢查synchronized(Singleton.class){if(instancenull){// 第二次檢查instancenewSingleton();}}}returninstance;}}這里 volatile 的作用是防止new Singleton()的指令重排序。new操作實(shí)際上包含三步分配內(nèi)存、初始化對(duì)象、將引用指向內(nèi)存。如果不加 volatile編譯器可能將后兩步重排序?qū)е缕渌€(xiàn)程拿到一個(gè)未初始化完成的對(duì)象。5.3 實(shí)戰(zhàn)案例生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型利用 volatile 作為狀態(tài)標(biāo)志配合 synchronized 保證臨界區(qū)安全publicclassProducerConsumerDemo{privatestaticvolatilebooleanrunningtrue;privatestaticfinalObjectlocknewObject();privatestaticintbuffer0;publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{ThreadproducernewThread(()-{while(running){synchronized(lock){buffer;System.out.println(生產(chǎn)buffer buffer);}try{Thread.sleep(50);}catch(InterruptedExceptione){}}});ThreadconsumernewThread(()-{while(running){synchronized(lock){if(buffer0){buffer--;System.out.println(消費(fèi)buffer buffer);}}try{Thread.sleep(80);}catch(InterruptedExceptione){}}});producer.start();consumer.start();Thread.sleep(1000);runningfalse;// volatile 保證兩個(gè)線(xiàn)程都能看到停止信號(hào)producer.join();consumer.join();}}6. 總結(jié)本文從 JMM 的三大特性出發(fā)梳理了并發(fā)編程的核心知識(shí)可見(jiàn)性、原子性、有序性是并發(fā)安全的三個(gè)維度理解它們是排查并發(fā)問(wèn)題的前提。volatile解決可見(jiàn)性和有序性但不解決原子性適合狀態(tài)標(biāo)志等輕量場(chǎng)景。synchronized通過(guò)鎖升級(jí)機(jī)制在保證原子性的同時(shí)兼顧性能是臨界區(qū)保護(hù)的默認(rèn)選擇。happens-before規(guī)則是判斷操作間可見(jiàn)性的理論依據(jù)雙重檢查鎖單例是它的經(jīng)典應(yīng)用。在實(shí)際開(kāi)發(fā)中建議優(yōu)先使用java.util.concurrent包下的工具類(lèi)如AtomicInteger、ConcurrentHashMap它們封裝了底層的并發(fā)細(xì)節(jié)更不容易出錯(cuò)。理解 JMM 的底層原理能幫助你在遇到疑難并發(fā)問(wèn)題時(shí)快速定位根因。