并發(fā)編程是Java語言的重要特性之一, 在Java平臺上提供了許多基本的并發(fā)功能來輔助開發(fā)多線程應(yīng)用程序。然而，這些相對底層的并發(fā)功能與上層應(yīng)用程序的并發(fā)語義之間并不存在一種簡單而直觀的映射關(guān)系。因此，如何在Java并發(fā)應(yīng)用程序中正確且高效地使用這些功能就成了Java開發(fā)人員的關(guān)注重點(diǎn)。所以節(jié)課程將邀請一線大廠的Java架構(gòu)師總結(jié)了一個java并發(fā)編程實(shí)踐教程，歡迎一起來來閱讀

教程目錄

1、Java內(nèi)存模型

2、MESI緩存一致性協(xié)議與緩存行

3、并發(fā)常見問題?

4、volatile

5、鎖機(jī)制?

一、Java內(nèi)存模型

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?內(nèi)存模型 ?

內(nèi)存模型可以理解為在特定的操作協(xié)議(緩存一致性協(xié)議)下，對特定的內(nèi)存和高速緩存進(jìn)行讀寫訪問的抽象。不同的物理機(jī)器，可能有著不同的“內(nèi)存模型”。Java虛擬機(jī)中定義的內(nèi)存模型可以屏蔽不同的硬件內(nèi)存模型，這樣就可以保證Java程序在各個平臺都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果，也就是常說的一次編寫到處運(yùn)行，因?yàn)閮?nèi)存模型為我們屏蔽掉了不同硬件平臺之間的差異。

?CPU緩存?

• 一級緩存和二級緩存：cpu各個core私有

• 三級緩存：cpu多core共享?

?CPU與內(nèi)存交互流程?

• 讀取流程：寄存器——>Load Buffer——>高速緩存(一級緩存——>二級緩存——>三級緩存)——> 內(nèi)存?

• 寫入流程：寄存器——>Store Buffer——>高速緩存(一級緩存——>二級緩存——>三級緩存)—— >內(nèi)存?

• 高速緩存和內(nèi)存之間通過內(nèi)存一致性協(xié)議(比如MESI協(xié)議)保證數(shù)據(jù)一致性(可見性) CPU和高速緩存直接通過Load Buffer(Store Buffer)減少堵塞時間,提高性能.

原子操作?

Java內(nèi)存模型為主內(nèi)存和工作內(nèi)存間的變量拷貝及同步定義8種原子性操作指令

lock(鎖定)：

作用于主內(nèi)存的變量，把一個變量標(biāo)識為一條線程獨(dú)占狀態(tài)。

unlock(解鎖)：

作用于主內(nèi)存變量，把一個處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。

read(讀取)：

作用于主內(nèi)存變量，把一個變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動作使用。

load(載入)：

作用于工作內(nèi)存的變量，它把通過read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。

use(使用)：

作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個變量值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作。assign(賦值)：作用于工作內(nèi)存的變量它把一個從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個給變量賦值的字節(jié)碼指令時執(zhí)行這個操作。

store(存儲)：

作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write的操作使用。

write(寫入)：

作用于主內(nèi)存的變量，它把通過store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中。?

二、MESI緩存一致性協(xié)議與緩存行

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MESI緩存一致性協(xié)議?

MESI 是指4種狀態(tài)的首字母。每個Cache line有4個狀態(tài)，可用2個bit表示，它們分別是：

MESI狀態(tài)轉(zhuǎn)換

觸發(fā)事件：?

MESI狀態(tài)遷移過程：

MESI性能優(yōu)化

• 緩存行數(shù)據(jù)修改，傳遞Invalidate失效消息給其他cpu緩存，但需要等待Invalidate Acknowledge確認(rèn)消息，cpu堵塞，降低性能。

• cpu存儲緩存store bufffferes用來解決堵塞問題。緩存行修改時，只需要寫到store bufffferes中，傳遞Invalidate失效消息給其他cpu緩存，然后執(zhí)行其他邏輯。

• 別的CPU收到Invalidate消息時，把這個操作加入Invalidate Queues無效隊(duì)列，然后快速返回Invalidate Acknowledge消息，讓發(fā)起者做后續(xù)操作

• cpu收到Invalidate Acknowledge確認(rèn)消息后，再把Store Bufffferes消息寫回緩存，修改狀態(tài)為(M)

• 其它CPU處理無效隊(duì)列里的無效消息時，讓緩存數(shù)據(jù)失效

• 其它CPU來取數(shù)據(jù)時，當(dāng)前cpu將數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存，狀態(tài)變?yōu)镾。?

?緩存行?

每個緩存里面都是由緩存行(cache line)組成的。緩存行是2的整數(shù)冪個連續(xù)字節(jié)，一般為32-256個字節(jié)。最常見的緩存行大小是64個字節(jié)

偽共享問題

當(dāng)多線程修改互相獨(dú)立的變量時，如果這些變量共享同一個緩存行，就會無意中影響彼此的性能。出現(xiàn)在頻繁修改的場景中。

Core1運(yùn)行的線程想更新變量X，同時Core2的線程想要更新變量Y。這兩個變量在同一個緩存行中。每個線程都要去競爭緩存行的所有權(quán)來更新變量。

如果Core1獲得了所有權(quán)，緩存子系統(tǒng)將會使Core2中對應(yīng)的緩存行失效。當(dāng)Core2獲得了所有權(quán)然后執(zhí)行更新操作，Core1就要使自己對應(yīng)的緩存行失效。這樣來來回回的經(jīng)過L3緩存，大大影響了性能。如果互相競爭的核心位于不同的插槽，就要額外橫跨插槽連接，問題可能更加嚴(yán)重。?

避免偽共享

解決偽共享最直接的方法就是填充(padding)。例如下面的VolatileLong，一個long占8個字節(jié)，Java的對象頭占用8個字節(jié)(32位系統(tǒng))或者12字節(jié)(64位系統(tǒng)，默認(rèn)開啟對象頭壓縮，不開啟占16字節(jié))。一個緩存行64字節(jié)，那么我們可以填充6個long(6*8=48 個字節(jié))。這樣就能避免多個VolatileLong共享緩存行。?

public?class?VolatileLong?{???private?volatile?long?v;????//?private?long?v0,?v1,?v2,?v3,?v4,?v5?//?去掉注釋，開啟填充，避免緩存行共享?????}

Java 8中引入了一個更加簡單的解決方案：@Contended 注解：

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME) @Target({ElementType.FIELD, ElementType.TYPE}) public @interface Contended { String value() default ""; }

Contended注解可以用于類型上和屬性上，加上這個注解之后虛擬機(jī)會自動進(jìn)行填充，從而避免偽共享。這個注解在Java8 ConcurrentHashMap、ForkJoinPool和Thread等類中都有應(yīng)用。

JVM啟動參數(shù)：-XX:-RestrictContended?

三、并發(fā)常見問題

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?可見性 ?

線程一使用flflag變量進(jìn)行邏輯處理；線程二修改flflag變量。

線程一嗅探不到flflag的改變。?

public class VisibilityDemo { private static boolean flag = false; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { while (!flag) { } System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 線程嗅探到 flag的修改");????????????}?????????????}).start();?????????????Thread.sleep(2000);? new?Thread(new?Runnable()?{? @Override? public?void?run()?{? System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"開始修改??flag");?? flag = true; ? System .out.println(Thread.currentThread().getName() + "將flag修 ?改為false"); ?} }).start(); ? } ?}

?

關(guān)于Thread.sleep(1000);的說明：?

主線程中的Thread.sleep(1000);經(jīng)過多次調(diào)整sleep時間大小(本地win10測試，1ms時偶爾無法正常結(jié)?束，大于1ms無法正常結(jié)束)?

結(jié)論：

cpu讀取數(shù)據(jù)流程：主內(nèi)存--->工作內(nèi)存(高速緩存)--->寄存器?

while經(jīng)過多次調(diào)用，返回一致的結(jié)果flag=false，cpu會進(jìn)行優(yōu)化，只取寄存器中的數(shù)據(jù)，不會再去調(diào)用?緩存和主內(nèi)存。時間<=1ms，cpu會經(jīng)過寄存器刷高速緩存和內(nèi)存；時間>1ms，cpu只是訪問寄存器。

?有序性?

public class OrderlyDemo { ???private?static?int?x?=?0,y?=?0;????private?static?int?a?=?0,b?=?0;????private?static?int?i?=?0;????public?static?void?main(String[]?args)?throws?InterruptedException?{????for?(;;){????i++;?????x?=?0;y?=?0;?????a?=?0;b?=?0;?????Thread?thread1?=?new?Thread(new?Runnable()?{????? @Override????? ?public?void?run()?{???? ? waitTime(10000);? ????? a?=?1;?????? x?=?b;?? }?? });?????Thread?thread2?=?new?Thread(new?Runnable()?{????? @Override???? ?public?void?run()?{??? ? b = 1; ??? ? y = a; ??? ? } ??? }); ??? thread1.start();??? thread2.start(); ??? thread1.join(); ??? thread2.join(); ??? System.out.println("第" + i + "次執(zhí)行結(jié)果(" + x + "," + y + ")"); ??? if (x == 0 && y == 0){ ??? System.out.println("在第" + i + "次發(fā)生指令重排，(" + x + "," + y +")"); break; } } } public static void waitTime(int time){ long start = System.nanoTime(); long end; do { end = System.nanoTime(); }while (start + time >= end); } }

原子性?

執(zhí)行5個線程，每個線程對number變量累加1000次。?

import java.util.ArrayList; import java.util.List;public class AtomicityDemo { private?static?int?number?=?0;????public?static?void?main(String[]?args)?throws?InterruptedException?????{?List?list?=?new?ArrayList<>(); for (int i=0; i<5; i++) { Thread t = new Thread(new Runnable() ??????????{?@Override??????????public?void?run()?{?????????? for?(int?i=0;?i<1000;?i++)?{?number++; }??????????} });??????? t.start();??????? list.add(t);?????}??????????for?(Thread?t?:?list)??????{?t.join();?????}??????????System.out.println("number="?+?number);?? }}

?

四、volatile

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使用volatile關(guān)鍵字，可解決可見性和有序性問題。

程序修改

可見性

private volatile static boolean flag = false;

有序性

private volatile static int i = 0;

volatile指令查看

• 將下載的hsdis-amd64.dll工具包解壓，復(fù)制到j(luò)dk安裝目錄的jre\bin\server目錄中

• 配置idea，在 VM options 選項(xiàng)中輸入?

-server -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly - XX:CompileCommand=compileonly,*類名.方法名

volatile作用

• volatile使用lock指令鎖定緩存行，將緩存行的數(shù)據(jù)立即寫回到主內(nèi)存中。

• volatile使用內(nèi)存屏障禁止指令重排序來保證有序性

指令重排

指令重排序場景

• 編譯器( JIT編譯器)重排序。編譯器在不改變單線程語義(as-if-serial)的前提下，重新安排語句的執(zhí)行順序。

  as-if-serial語義：不管怎么重排序，單線程下，程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。編譯和處 理器都必須遵循as-if-serial語義。如果操作之間沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，就可以被重排序。

• 指令級并行的重排序。現(xiàn)代處理器采用了指令并行技術(shù)。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可 以改變語句對應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。

• 內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)，這使得加載和存儲操作看上去可能 是亂序執(zhí)行。(處理器的重排序)

內(nèi)存屏障?

內(nèi)存屏障(Memory Barrier)與內(nèi)存柵欄(Memory Fence)是同一個概念，不同的叫法。內(nèi)存屏障是解決硬件層面的可見性與重排序問題。內(nèi)存屏障是happen-before原則的實(shí)現(xiàn)。

?指令	描述
Store	將處理器緩存的數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中
Load	將內(nèi)存存儲的數(shù)據(jù)拷貝到處理器的緩存中

屏障類型	指令示例	指令示例
LoadLoad Barriers	?Load1;LoadLoad;Load2	該屏障確保Load1數(shù)據(jù)的裝載先于Load2及其后所有裝載指令的的操作
?StoreStore Barriers	?Store1;StoreStore;Store2	該屏障確保Store1立刻刷新數(shù)據(jù)到內(nèi)存(使其對其他處理器可見)的操作先于Store2及其后所有存儲指令的操作
LoadStore Barriers	?Load1;LoadStore;Store2	確保Load1的數(shù)據(jù)裝載先于Store2及其后所有的存儲指令刷新數(shù)據(jù)到內(nèi)存的操作
?StoreLoad Barriers	?Store1;StoreLoad;Load2	該屏障確保Store1立刻刷新數(shù)據(jù)到內(nèi)存的操作先于Load2及其后所有裝載裝載指令的操作。它會使該屏障之前的所有內(nèi)存訪問指令(存儲指令和訪問指令)完成之后,才執(zhí)行該屏障之后的內(nèi)存訪問指令

StoreLoad ?Barriers同時具備其他三個屏障的效果，因此也稱之為全能屏障(mfence)，是目前大多數(shù)處理器所支持的；但是相對其他屏障，該屏障的開銷相對昂貴。

x86架構(gòu)cpu的內(nèi)存屏障

x86架構(gòu)并沒有實(shí)現(xiàn)全部的內(nèi)存屏障。Store Barrier

• sfence

  指令實(shí)現(xiàn)了Store Barrier，相當(dāng)于StoreStore Barriers。

• Load Barrier

  lfence指令實(shí)現(xiàn)了Load Barrier，相當(dāng)于LoadLoad Barriers。

• Full Barrier

  mfence指令實(shí)現(xiàn)了Full Barrier，相當(dāng)于StoreLoad Barriers。

強(qiáng)制所有在mfence指令之前的store/load指令，都在該mfence指令執(zhí)行之前被執(zhí)行；所有在mfence指令之后的store/load指令，都在該mfence指令執(zhí)行之后被執(zhí)行。

volatile如何解決內(nèi)存可見性與重排序問題?

• 在編譯器層面，僅將volatile作為標(biāo)記使用，取消編譯層面的緩存和重排序。

• 如果硬件架構(gòu)本身已經(jīng)保證了內(nèi)存可見性(如單核處理器、一致性足夠的內(nèi)存模型等)，那么volatile就是一個空標(biāo)記，不會插入相關(guān)語義的內(nèi)存屏障。

• 如果硬件架構(gòu)本身不進(jìn)行處理器重排序、有更強(qiáng)的重排序語義(能夠分析多核間的數(shù)據(jù)依賴)、或 ?在單核處理器上重排序，那么volatile就是一個空標(biāo)記，不會插入相關(guān)語義的內(nèi)存屏障。

? ? ? ? 如果不保證，以x86架構(gòu)為例，JVM對volatile變量的處理如下：

• 在寫volatile變量v之后，插入一個sfence。這樣，sfence之前的所有store(包括寫v)不會 ??被重排序到sfence之后，sfence之后的所有store不會被重排序到sfence之前，禁用跨sfence 的store重排序；且sfence之前修改的值都會被寫回緩存，并標(biāo)記其他CPU中的緩存失效。

• 在讀volatile變量v之前，插入一個lfence。這樣，lfence之后的load(包括讀v)不會被重排 序到lfence之前，lfence之前的load不會被重排序到lfence之后，禁用跨lfence的load重排 ??序；且lfence之后，會首先刷新無效緩存，從而得到最新的修改值，與sfence配合保證內(nèi)存 可見性

• 在另外一些平臺上，JVM使用mfence代替sfence與lfence，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的語義。

DCL(雙重檢查加鎖)

public class Singleton {????private?static?volatile?Singleton?instance;?????private?Singleton()?{}?????public?static?Singleton?getInstance()?{???????? if(instance==null)?{???????? synchronized(Singleton.class)?{?????????????????if(instance==null)?{????????????????? instance?=?new?Singleton();????????????????? }??????????????}???????????}??????????return?instance;?????????}?}

volatile作用：禁止instance?= new Singleton()這條語句指令重排序，避免getInstance()方法第一個if判斷為false，但instance實(shí)例沒有初始化完成的問題。

instance = new Singleton()執(zhí)行過程

• 在堆中分配對象內(nèi)存

• 填充對象必要信息+具體數(shù)據(jù)初始化+末位填充

• 將引用指向這個對象的堆內(nèi)地址

• 第二步和第三步可能重排序，導(dǎo)致instance引用不為null，但是實(shí)例沒初始化完成。

happen-before原則

hb原則是對單線程/多線程環(huán)境下數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行的約束。hb規(guī)定了禁止編譯器和處理器重排序的8大原則。

hb的含義

前面的操作對后面的操作是可見狀態(tài)。

如果前后操作沒關(guān)聯(lián)，可直接重排序，不受約束。

如果前后有關(guān)聯(lián)，重排序后結(jié)果不一致，就是不可見狀態(tài)，不能重排序。

• 單線程hb原則：在同一線程中，寫在前面的操作hb后面的操作鎖的hb原則：同一個鎖的unlock操作hb此鎖的lock操作

• volatile的hb原則：對volatile變量的寫操作hb對此變量的任意操作hb傳遞性原則：A hb B，B hb C，那么A hb C

• 線程啟動hb原則：同一線程的start方法 hb 此線程的其它方法

• 線程中斷hb原則：對線程interrupt方法的調(diào)用 hb 被中斷線程的檢測到中斷狀態(tài)線程終結(jié)hb原則：線程所有操作 hb 線程的終止檢測

• 對象創(chuàng)建hb原則：一個對象的初始化完成 hb ?nalize方法調(diào)用

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java并发编程实战_一线大厂架构师整理：java并发编程实践教程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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