在并发编程中,Java是通过 共享内存 来实现共享变量操作的,所以在多线程编程中会涉及到 数据一致性 的问题
public class Example {
int x = 0;
public void count() {
x++; // 1
System.out.println(x) // 2
}
}
- 有两个线程分别执行count方法,x是共享变量
- 可能出现3种结果:
<1,1>
, <2,1>
, <1,2>
Java内存模型
- Java采用 共享内存 模型来实现多线程之间的信息交换和数据同步
- 程序运行时, 局部变量 将会存放在 虚拟机栈 中,而 共享变量 将会被保存在 堆内存 中
- 由于局部变量随线程的创建而创建,线程的销毁而销毁,Java栈数据并非线程共享,所以不需要关心数据的一致性
- 共享变量存储在 堆内存 或 方法区 中,堆内存和方法区的数据是 线程共享 的
- 堆内存中的共享变量在 被不同线程操作 时,会被 加载到线程的工作内存 中,即 CPU中的高速缓存
- CPU缓存可以分为L1缓存、L2缓存和L3缓存,每一级缓存中所存储的 全部数据 都是下一级缓存的 一部分
- 当CPU要 读取 一个缓存数据时,会依次从 L1缓存、L2缓存、L3缓存、内存 中查找
- 如果是 单核CPU 运行多线程,多个线程同时访问进程中的共享数据,CPU将共享变量加载到高速缓存后
- 不同线程在访问缓存数据时,都会 映射到相同的缓存位置 ,即使发生 线程切换 , 缓存仍然有效
- 如果是 多核CPU 运行多线程, 每个核都有一个L1缓存
- 如果多个线程运行在不同的内核上访问共享变量时,每个内核的L1缓存都将会缓存一份共享变量
- 假设线程A操作CPU从堆内存中获取一个缓存数据
- 此时堆内存中的缓存数据值为0,该缓存数据会被加载到L1缓存中
- 操作后,缓存数据的值变为了1,然后刷新到堆内存中
- 在正好刷新到堆内存之前,另一个线程B将堆内存中为0的缓存数据加载到另一个内核的L1缓存中
- 此时线程A将堆内存的数据刷新为1,而线程B实际拿到的缓存数据值为0
- 此时, 内核缓存中的数据 和 堆内存的数据 就不一致了
重排序
在 不影响运算结果 的前提下,编译器可能会 改变顺序代码的指令顺序
public class Example {
int x = 0;
boolean flag = false;
// 线程1调用
public void writer() {
// 1和2可能会被重排序
x = 1; // 1
flag = true; // 2
}
// 线程2调用
public void reader() {
if (flag) { // 3
int r1 = x; // 4
System.out.println(r1==x)
}
}
// 线程1和线程2并发执行,线程2中的变量值可能出现两种情况:r1=0或r1=1
}
Happens-before 规则
- 程序次序规则
- 在单线程中,代码的执行是有序的,虽然可能会存在指令重排序,但最终执行的结果和顺序执行的结果是一致的
- 锁定规则
- 一个锁处于被线程锁定占用状态,只有当这个线程释放锁之后,其他线程才能再次获取锁
- volatile变量规则
- 如果一个线程正在写volatile变量,其他线程读取该变量会发生在写入之后
- 线程启动规则
- Thread对象的 start()方法 先行发生于此线程的 其它每一个动作
- 线程终止规则
- 线程中的所有操作 都先行发生于 对此线程的中止检测
- 对象终结规则
- 一个对象的 初始化完成 先行发生于该对象 finalize()方法的开始
- 线程中断规则
- 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事件的发生
- 传递性
- 如果操作A happens-before 操作B,操作B happens-before 操作C,那么操作A happens-before 操作C
一致性等级
强一致性 - 全局锁
所有读写操作都按全局时钟下的顺序执行,任何时刻线程读取到的缓存数据都是一样的, Hashtable 就是强一致性
顺序一致性 - volatile
- 多个线程的整体执行可能是无序的,但对于 单个线程 而言执行是 有序 的
- 要保证任何一次读都能读到最近一次写的数据, volatile 可以阻止指令重排序
弱一致性 - 读写锁
不能保证任何一次读都能读到最近一次写入的数据,但能保证 最终 可以读到写入的数据, 读写锁 就是弱一致性
原文
http://zhongmingmao.me/2019/09/05/java-performance-consistency/