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线程的三大特性(可见性、有序性、原子性)

Java 更新时间: 发布时间: IT归档 最新发布 模块sitemap 名妆网 法律咨询 聚返吧 英语巴士网 伯小乐 网商动力

线程的三大特性(可见性、有序性、原子性)

一、可见性

L1、L2、L3级缓存:

缓存中有变量时,如果不加限制,CPU直接从当前最近的缓存读取变量值,不会去内存中读,所以多核并发执行的线程之间可能同一个变量同一时间有不同的值(初始时刻缓存中没有的变量会从内存中读取,然后一级级的保存到缓存中,下次CPU使用时会从最近的缓存中读取该变量)

另外,不加限制的话,CPU什么时候将计算好的变量新值写入内存中也是无法预知的。


缓存行:为了减少从内存读数据的次数,每次操作系统访问内存空间都会一次性读取64Byte大小的数据,在缓存中以一行的形式存放该64字节数据。

缓存一致性:当某个CPU从内存中读取了一行缓存行并修改了其中某些变量的值,就需要通过总线嗅探机制与缓存一致性协议,通知缓存行中读取了这些数据的其他CPU也修改对应的变量值(缓存一致性协议:MESI、MEI、MOSI、Dragon)MESI对应缓存行的状态:M:Modified、E:Exclusive、S:Shared、I:Invalid。


Volatile也可以实现缓存一致性:volatile是由C++实现的,底层调用fence方法,会执行一个lock汇编指令,表示当前CPU独占该变量,其他CPU中包含该变量的缓存行会失效,当前CPU修改完变量后会通知其他CPU重新读取缓存行。

二、有序性

乱序执行:CPU流水线模式导致乱序执行指令(CPU速度是内存读取数据的速度的100倍)

汇编层对象的创建过程:IDEA-view的show Bytecode With Jclasslib可以查看java字节码

对象创建步骤:
1. 分配内存
2. 属性赋默认值
3. init方法给属性赋初始值
4. 引用和内存对象进行关联 (ps:对象半初始化乱序问题:3比4先执行,在还没有执行4时对象又被其他线程使用,得到的属性值是java中进本类型变量的默认值,而不是程序定义的初始值)

this对象溢出问题:《Java Effective》中建议不要在构造方法中运行线程,由于指令的乱序执行,可能其他线程会读到对象还没有初始化好的属性值。

Object o = new Object(); // 美团七连问

1. 对象的创建过程;(半初始化)
2. DCL单例是否需要加volatile问题;(指令重排)
3. 对象在内存中的存储布局;(对象与数组的存储不同)
4. 对象头包括什么;(markword、class pointer、sychronized)
5. 对象怎么定位;(直接、间接)
6. 对象怎么分配;(栈上-线程本地-Eden-Old)
7. Object o = new Object()在内存中占用多少字节(8+4+0+4);
8. 为什么hotspot不使用C++对象来保存java对象;
9. Class对象是在堆还是方法区;

如何阻止指令乱序执行:

  • CPU原语级别:加上屏障指令lock cmpxchg,强行阻止屏障前后指令不乱序
  • JVM虚拟机层面:任何Java虚拟机都要实现LoadLoad、StoreStore、LoadStore、StoreLoad四种指令屏障,分别表示在屏障前后的(读与读、写与写、读与写、写与读)不能乱序(也就是Volatile的底层实现,在Volatile变量改动前后加以上几条指令屏障)

ps:补充知识

一、所有语言程序的基础——栈/堆
栈与堆:(栈由OS管理,程序员不需要管理栈内存,堆由程序员手动管理内存)
每个线程有自己的栈,栈中是栈帧的堆积,一个方法分配一个栈帧,方法中调用另一个方法就在栈顶加入一个栈帧,方法结束弹出该栈帧。

二、IDEA查看对象的内存布局

System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());  // 可以查看对象o的内存分布情况
Sychronized(o){  // 对象上加锁后,对象的内存布局
	System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}

以上两者对比发现markword有差别,因为对象的锁信息保存在markword中;

64位hotspot 对markword的实现:

三、原子性
  • 锁 == monitor(管程)

  • 加锁区 == 临界区

CAS虽然叫做乐观锁或者无锁(只是在对象头改变了标记位,没有通过内核给对象上锁),但是其底层仍然使用了锁(对CAS的比较操作上锁,保证其比较时的几个步骤不会被其他线程打断,对过程上锁,不是对对象上锁),其基于unsafe类的方法实现;

unsafe类的compareandset方法来自C++的本地方法,编译成汇编语言后在CAS操作的过程中加了一个lock指令(lock_if_mp),lock指令在硬件层面保证CPU执行的一系列指令是原子的。—— CAS – unsafe-- lock

CAS存在的两个问题:

  • ABA问题 —— 用版本号解决;(基本数据类型没事,引用类型可能其指向的对象会被改变)
  • CAS本身由多步骤组成,非原子性 —— 底层靠汇编语言的lock指令(lock_if_mp,如果是多处理器则加锁),CPU执行lock指令时会锁定一个北桥信号,保证当前比较操作不会被其他线程打断;

乐观锁与悲观锁的选择:

  • 悲观锁:参考ReentrantLock基于AQS的实现,会采用一个等待队列,在队列中的线程被挂起不会消耗CPU资源;
  • 乐观锁:一个线程占用锁,多个其余线程自旋循环请求,消耗CPU资源;

因此:线程少,线程持有锁的时间短就用乐观锁,相反用悲观锁;

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