【慕課網學習筆記】Java共用變數的可見度和原子性

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1. Java記憶體模型(Java Memory Model, JMM)

Java的記憶體模型如下，所有變數都儲存在主記憶體中，每個線程都有自己的工作記憶體。

共用變數：如果一個變數在多個線程中都使用到了，那麼這個變數就是這幾個線程的共用變數。

可見度：一個線程對共用變數的修改，能夠及時地到主記憶體並且讓其他的線程看到。

怎麼理解上面的可見度的意思呢？

線程對共用變數的修改，只能在自己的工作記憶體裡操作，不能直接對主記憶體中的共用變數進行修改。而且一個線程不能直接存取另一個線程中的變數的值，只能通過主記憶體進行共用傳遞。

那麼就要求線程A對共用變數修改後，及時地更新到主記憶體中，線程B才可以及時地從主記憶體擷取最新的值到工作記憶體。

比如一個共用變數int i = 0; 線程A將其改為i =1; 其他線程此時擷取i的值，應該能及時地得到1，而不是0。

 

2. synchronized實現可見度

synchronized除了常見的原子性，還實現了可見度。這是因為：

1) 線程解鎖前，必須把共用變數的最新值重新整理到主記憶體中去；

2) 線程加鎖時，將清空工作記憶體中的共用變數的值，使用到共用變數時，從主記憶體中擷取最新的共用變數值（加鎖和解鎖需要同一把鎖）

 

3. volatile實現可見度

通過記憶體屏障和禁止重排序最佳化來實現可見度。

1) 對共用變數進行寫操作後，加入一條store屏障指令，強制將共用變數的值重新整理到主記憶體；

2) 對共用變數進行讀操作前，加入一條load屏障指令，強制從主記憶體中將最新值重新整理到工作記憶體；

 

4.volatile不能保證原子性

一個比較典型的例子是++運算子。

在下面的代碼中，一共建立了1000個線程，預期應該是加了1000次，那麼number的值應該是1000，實際上有可能並不是。

這是因為，++運算子並不是一次操作。以number++為例，可以看作是，先從主記憶體中取出number的值，然後將其加1，重新整理工作記憶體，重新整理主記憶體，這麼幾個步驟。

而volatile並不能保證原子性，這就意味著，有可能出現這種情況：

1)線程A擷取到主記憶體的number的值（假設為10）到工作記憶體

2)此時CPU調度，A暫停，線程B開始執行，同樣從主記憶體中擷取到number為10，number++後，number為11，重新整理到主記憶體

3)線程A繼續執行number++，它的工作記憶體中number為10，執行完畢重新整理到主記憶體，此時，number的值為11. 也就是說，AB兩個線程同時進行了+1操作，但最終的結果，只加了1

 1 public class VolatileDemo { 2  3     private int number = 0; 4  5     public void increase() { 6         number++; 7     } 8  9     public int getNumber() {10         return number;11     }12 13     public static void main(String[] args) {14         final VolatileDemo demo = new VolatileDemo();15 16         for (int i = 0; i <= 999; i++) {17             new Thread(new Runnable() {18                 @Override19                 public void run() {20                     demo.increase();21                 }22             }).start();23         }24         25         //線程未執行完，主線程讓出CPU資源26         while(Thread.activeCount() > 1){27             Thread.yield();28         }29 30         //待上面的線程都執行完了，再列印，避免列印的不是最後的資料31         System.out.println(demo.getNumber());32     }33 }

 

5.volatile適用情境

1)對共用變數的寫操作，不依賴於其之前的值

不合適：number++, number = number * 2, number += 1等

合適：boolean值

2)該變數沒有包含在具有其他變數的不變式中，也就是說，不同的volatile變數之間，不能互相依賴

 

6.AtomicInteger實現遞增

上面我們已經知道一個整型的共用變數要實現遞增，如果使用++運算子，即使加上volatile關鍵字，也是無法保證其原子性的。而如果在訪問變數時加上synchronized塊，或者可重新進入鎖，開銷又太大。

JDK1.5之後，可以使用AtomicInteger進行遞增。該類是安全執行緒的。

將上面的代碼修改如下，就可以保證原子性和可見度。

 1 import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; 2  3 public class VolatileDemo { 4  5     private AtomicInteger number = new AtomicInteger(0); 6  7     public void increase() { 8         number.incrementAndGet(); 9     }10 11     public int getNumber() {12         return number.intValue();13     }14 15     public static void main(String[] args) {16         final VolatileDemo demo = new VolatileDemo();17 18         for (int i = 0; i <= 999; i++) {19             new Thread(new Runnable() {20                 @Override21                 public void run() {22                     demo.increase();23                 }24             }).start();25         }26         27         //線程未執行完，主線程讓出CPU資源28         while(Thread.activeCount() > 1){29             Thread.yield();30         }31 32         //待上面的線程都執行完了，再列印，避免列印的不是最後的資料33         System.out.println(demo.getNumber());34     }35 }

 

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