java内存模型的原子性、可见性、有序性(先行发生原则)

本文介绍了Java内存模型中的三个核心特性:原子性、可见性和有序性。深入探讨了这些特性如何确保并发程序的一致性和正确性,并详细解释了synchronized、volatile等关键字的作用机制。

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原子性、可见性、有序性

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的。
  • 原子性(Atomicity):由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、use、assign、store、write,我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的。
    如果需要一个更大范围的原子性操作,Java内存模型提供了lock和unlock操作来满足这种需求,尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用,但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作,这两个字节码指令反应到Java代码中就是同步块---synchronized关键字,所以在synchronized块之间的操作也具备原子性。
  • 可见性(Visibility):可见性是指当一个线程修改了共享变量的值,其他线程能够立即得知这个修改。
    volatile、synchronized、final都可以实现可见性,synchronized可见性是由对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存中(执行store、write操作)这条规则获得的,        而final关键字的可见性是指:被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成,并且构造器没有把this的引用传递出去,那在其他线程中就能见final字段的值。
  • 有序性(Ordering):Java程序中天然的有序性可以总结为一句话:如果在本线程内观察,所有的操作都是有序的;如果在一个线程中观察另一个线程,所有的操作都是无序的。前半句是指线程内表现为串行的语义(within-Thread  AS-if-Serial Semantics),后半句是指指令重排序现象和工作内存和猪呢从同步延迟现象。
    Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性,volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义,而synchronized则是由一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock做这条规则获得的,这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行的进入。

    先行发生原则(happens-before)是针对于内存模型中的有序性来说的。先行发生是java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系。

以下是java内存模型下一些天然的先行发生关系,这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在,可以在编码中直接使用,如果通过下面关系无法确定顺序性,虚拟机可以对其随意地进行重排序。
  • 程序次序规则(Program  Order  Rule):在一个线程内,按照程序代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说,应该是控制流顺序而不是程序代码顺序,因为考虑分支、循环等结构。
  • 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,这里必须强调的是同一个多,而“后面”是指时间上的先后顺序。
  • 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”是指时间上的先后顺序。
  • 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):线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测,可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
  • 线程中断规则(Thread  Interruption Rule):对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断时间的发生,可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。
  • 对象终结规则(Finalizer  Rule):一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)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,那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。
时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系,所以衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰,一切必须以先行发生原则为准。
### 回答1: Java内存模型是指Java虚拟机(JVM)中的内存管理系统。它定义了Java程序中的内存访问规则,并且确保了程序的同步、并发可见性等问题。 Java内存模型的核心部分是对各种内存区域(如工作内存、主内存)的抽象,并且管理线程如何在这些内存区域之间传递数据。例如,当一个线程修改了共享变量,Java内存模型会保证这个修改对其他线程是可见的。 另外,Java内存模型还提供了同步机制,例如`synchronized`关键字,以确保多个线程之间的数据同步。 总的来说,Java内存模型Java程序中非常重要的一部分,它确保了Java程序的正确性和可靠性,是Java程序员必须掌握的知识。 ### 回答2: Java内存模型Java Memory Model, JMM)定义了Java虚拟机(JVM)在多线程环境下的内存访问规则和操作为。 首先,JMM保证了所有的变量都存储在主内存中,每个线程都有自己的工作内存,工作内存保存了主内存中一部分变量的拷贝副本。 其次,JMM定义了八种原子操作(Lock, Read, Write, Load, Store, Unlock, Acton, Monitor Enter/Exit),这些操作都是原子的,即不可被中断。 此外,JMM还定义了 happens-before 关系来规定对内存的操作顺序。如果一个操作 happens-before 另一个操作,那么前一个操作对于后一个操作来说是可见的,即后一个操作可以看到前一个操作的结果。 具体来说,以下情况会导致 happens-before 关系: 1. 程序顺序规则(Program Order Rule):程序中的每个操作按照代码顺序执先行发生的操作 happens-before 于后续操作。 2. volatile规则:对volatile变量的写操作 happens-before 于后续对该变量的读操作。 3. 传递性规则:如果操作A happens-before 操作B,操作B happens-before 操作C,则操作A happens-before 操作C。 4. 管程中锁的规则:释放锁的操作 happens-before 后续对该锁的获取操作。 5. 线程启动规则:线程的start()方法 happens-before 于启动的线程中的任何操作。 6. 线程终止规则:线程的所有操作 happens-before 于其他线程检测到该线程的终止或者中断。 Java内存模型的主要目标是提供可见性(visibility)和有序性(ordering)的保证。可见性确保一个线程对共享变量的修改对其他线程是可见的,有序性则保证了程序执的顺序符合预期。 总结来说,Java内存模型定义了线程之间如何进通信、同步以及访问共享变量的规范,并提供了一套 happens-before 关系来确保可见性有序性的保证。了解Java内存模型对于编写多线程程序以及理解并发问题是至关重要的。
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