网站新闻详细页面设计,深圳品牌服装有哪些牌子,网站首页欣赏,酒吧dj做歌网站在并发编程中#xff0c;多个线程之间采取什么机制进行通信#xff08;信息交换#xff09;#xff0c;什么机制进行数据的同步#xff1f; 在Java语言中#xff0c;采用的是共享内存模型来实现多线程之间的信息交换和数据同步的。 线程之间通过共享程序公共的状态#…在并发编程中多个线程之间采取什么机制进行通信信息交换什么机制进行数据的同步 在Java语言中采用的是共享内存模型来实现多线程之间的信息交换和数据同步的。 线程之间通过共享程序公共的状态通过读-写内存中公共状态的方式来进行隐式的通信。同步指的是程序在控制多个线程之间执行程序的相对顺序的机制在共享内存模型中同步是显式的程序员必须显式指定某个方法/代码块需要在多线程之间互斥执行。 在说Java内存模型之前我们先说一下Java的内存结构也就是运行时的数据区域 Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它管理的内存划分为几个不同的数据区域这些区域都有各自的用途、创建时间、销毁时间。 Java运行时数据区分为下面几个内存区域 1.PC寄存器/程序计数器 严格来说是一个数据结构用于保存当前正在执行的程序的内存地址由于Java是支持多线程执行的所以程序执行的轨迹不可能一直都是线性执行。当有多个线程交叉执行时被中断的线程的程序当前执行到哪条内存地址必然要保存下来以便用于被中断的线程恢复执行时再按照被中断时的指令地址继续执行下去。为了线程切换后能恢复到正确的执行位置每个线程都需要有一个独立的程序计数器各个线程之间计数器互不影响独立存储我们称这类内存区域为“线程私有”的内存,这在某种程度上有点类似于“ThreadLocal”是线程安全的。 2.Java栈 Java Stack Java栈总是与线程关联在一起的每当创建一个线程JVM就会为该线程创建对应的Java栈在这个Java栈中又会包含多个栈帧(Stack Frame)这些栈帧是与每个方法关联起来的每运行一个方法就创建一个栈帧每个栈帧会含有一些局部变量、操作栈和方法返回值等信息。每当一个方法执行完成时该栈帧就会弹出栈帧的元素作为这个方法的返回值并且清除这个栈帧Java栈的栈顶的栈帧就是当前正在执行的活动栈也就是当前正在执行的方法PC寄存器也会指向该地址。只有这个活动的栈帧的本地变量可以被操作栈使用当在这个栈帧中调用另外一个方法时与之对应的一个新的栈帧被创建这个新创建的栈帧被放到Java栈的栈顶变为当前的活动栈。同样现在只有这个栈的本地变量才能被使用当这个栈帧中所有指令都完成时这个栈帧被移除Java栈刚才的那个栈帧变为活动栈帧前面栈帧的返回值变为这个栈帧的操作栈的一个操作数。 由于Java栈是与线程对应起来的Java栈数据不是线程共有的所以不需要关心其数据一致性也不会存在同步锁的问题。 在Java虚拟机规范中对这个区域规定了两种异常状况如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度将抛出StackOverflowError异常如果虚拟机可以动态扩展如果扩展时无法申请到足够的内存就会抛出OutOfMemoryError异常。在Hot Spot虚拟机中可以使用-Xss参数来设置栈的大小。栈的大小直接决定了函数调用的可达深度。 3.堆 Heap: 堆是JVM所管理的内存中国最大的一块是被所有Java线程锁共享的不是线程安全的在JVM启动时创建。堆是存储Java对象的地方这一点Java虚拟机规范中描述是所有的对象实例以及数组都要在堆上分配。Java堆是GC管理的主要区域从内存回收的角度来看由于现在GC基本都采用分代收集算法所以Java堆还可以细分为新生代和老年代新生代再细致一点有Eden空间、From Survivor空间、To Survivor空间等。 4.方法区Method Area: 方法区存放了要加载的类的信息名称、修饰符等、类中的静态常量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息当在程序中通过Class对象的getName.isInterface等方法来获取信息时这些数据都来源于方法区。方法区是被Java线程锁共享的不像Java堆中其他部分一样会频繁被GC回收它存储的信息相对比较稳定在一定条件下会被GC当方法区要使用的内存超过其允许的大小时会抛出OutOfMemory的错误信息。方法区也是堆中的一部分就是我们通常所说的Java堆中的永久区 Permanet Generation大小可以通过参数来设置,可以通过-XX:PermSize指定初始值-XX:MaxPermSize指定最大值。 5.常量池Constant Pool: 常量池本身是方法区中的一个数据结构。常量池中存储了如字符串、final变量值、类名和方法名常量。常量池在编译期间就被确定并保存在已编译的.class文件中。一般分为两类字面量和应用量。字面量就是字符串、final变量等。类名和方法名属于引用量。引用量最常见的是在调用方法的时候根据方法名找到方法的引用并以此定为到函数体进行函数代码的执行。引用量包含类和接口的权限定名、字段的名称和描述符方法的名称和描述符。 6.本地方法栈Native Method Stack: 本地方法栈和Java栈所发挥的作用非常相似区别不过是Java栈为JVM执行Java方法服务而本地方法栈为JVM执行Native方法服务。本地方法栈也会抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。 主内存和工作内存 Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则即在JVM中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量与Java编程里面的变量有所不同步它包含了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素但不包含局部变量和方法参数因为后者是线程私有的不会共享当然不存在数据竞争问题如果局部变量是一个reference引用类型它引用的对象在Java堆中可被各个线程共享但是reference引用本身在Java栈的局部变量表中是线程私有的。为了获得较高的执行效能Java内存模型并没有限制执行引起使用处理器的特定寄存器或者缓存来和主内存进行交互也没有限制即时编译器进行调整代码执行顺序这类优化措施。 JMM规定了所有的变量都存储在主内存Main Memory中。每个线程还有自己的工作内存Working Memory,线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存的副本拷贝线程对变量的所有操作读取、赋值等都必须在工作内存中进行而不能直接读写主内存中的变量volatile变量仍然有工作内存的拷贝但是由于它特殊的操作顺序性规定所以看起来如同直接在主内存中读写访问一般。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量线程之间值的传递都需要通过主内存来完成。 线程1和线程2要想进行数据的交换一般要经历下面的步骤 1.线程1把工作内存1中的更新过的共享变量刷新到主内存中去。 2.线程2到主内存中去读取线程1刷新过的共享变量然后copy一份到工作内存2中去。 Java内存模型是围绕着并发编程中原子性、可见性、有序性这三个特征来建立的那我们依次看一下这三个特征 原子性Atomicity一个操作不能被打断要么全部执行完毕要么不执行。在这点上有点类似于事务操作要么全部执行成功要么回退到执行该操作之前的状态。 基本类型数据的访问大都是原子操作long 和double类型的变量是64位但是在32位JVM中32位的JVM会将64位数据的读写操作分为2次32位的读写操作来进行这就导致了long、double类型的变量在32位虚拟机中是非原子操作数据有可能会被破坏也就意味着多个线程在并发访问的时候是线程非安全的。 下面我们来演示这个32位JVM下对64位long类型的数据的访问的问题 1 public class NotAtomicity {2 //静态变量t3 public static long t 0;4 //静态变量t的get方法5 public static long getT() {6 return t;7 }8 //静态变量t的set方法9 public static void setT(long t) {
10 NotAtomicity.t t;
11 }
12 //改变变量t的线程
13 public static class ChangeT implements Runnable{
14 private long to;
15 public ChangeT(long to) {
16 this.to to;
17 }
18 public void run() {
19 //不断的将long变量设值到 t中
20 while (true) {
21 NotAtomicity.setT(to);
22 //将当前线程的执行时间片段让出去以便由线程调度机制重新决定哪个线程可以执行
23 Thread.yield();
24 }
25 }
26 }
27 //读取变量t的线程若读取的值和设置的值不一致说明变量t的数据被破坏了即线程不安全
28 public static class ReadT implements Runnable{
29
30 public void run() {
31 //不断的读取NotAtomicity的t的值
32 while (true) {
33 long tmp NotAtomicity.getT();
34 //比较是否是自己设值的其中一个
35 if (tmp ! 100L tmp ! 200L tmp ! -300L tmp ! -400L) {
36 //程序若执行到这里说明long类型变量t其数据已经被破坏了
37 System.out.println(tmp);
38 }
39 将当前线程的执行时间片段让出去以便由线程调度机制重新决定哪个线程可以执行
40 Thread.yield();
41 }
42 }
43 }
44 public static void main(String[] args) {
45 new Thread(new ChangeT(100L)).start();
46 new Thread(new ChangeT(200L)).start();
47 new Thread(new ChangeT(-300L)).start();
48 new Thread(new ChangeT(-400L)).start();
49 new Thread(new ReadT()).start();
50 }
51 } 我们创建了4个线程来对long类型的变量t进行赋值赋值分别为100,200-300-400有一个线程负责读取变量t,如果正常的话读取到的t的值应该是我们赋值中的一个但是在32的JVM中事情会出乎预料。如果程序正常的话我们控制台不会有任何的输出可实际上程序一运行控制台就输出了下面的信息 -42949670964294966896-4294967096-42949670964294966896之所以会出现上面的情况是因为在32位JVM中64位的long数据的读和写都不是原子操作即不具有原子性并发的时候相互干扰了。 32位的JVM中要想保证对long、double类型数据的操作的原子性可以对访问该数据的方法进行同步就像下面的 1 public class Atomicity {2 //静态变量t3 public static long t 0;4 //静态变量t的get方法,同步方法5 public synchronized static long getT() {6 return t;7 }8 //静态变量t的set方法同步方法9 public synchronized static void setT(long t) {
10 Atomicity.t t;
11 }
12 //改变变量t的线程
13 public static class ChangeT implements Runnable{
14 private long to;
15 public ChangeT(long to) {
16 this.to to;
17 }
18 public void run() {
19 //不断的将long变量设值到 t中
20 while (true) {
21 Atomicity.setT(to);
22 //将当前线程的执行时间片段让出去以便由线程调度机制重新决定哪个线程可以执行
23 Thread.yield();
24 }
25 }
26 }
27 //读取变量t的线程若读取的值和设置的值不一致说明变量t的数据被破坏了即线程不安全
28 public static class ReadT implements Runnable{
29
30 public void run() {
31 //不断的读取NotAtomicity的t的值
32 while (true) {
33 long tmp Atomicity.getT();
34 //比较是否是自己设值的其中一个
35 if (tmp ! 100L tmp ! 200L tmp ! -300L tmp ! -400L) {
36 //程序若执行到这里说明long类型变量t其数据已经被破坏了
37 System.out.println(tmp);
38 }
39 将当前线程的执行时间片段让出去以便由线程调度机制重新决定哪个线程可以执行
40 Thread.yield();
41 }
42 }
43 }
44 public static void main(String[] args) {
45 new Thread(new ChangeT(100L)).start();
46 new Thread(new ChangeT(200L)).start();
47 new Thread(new ChangeT(-300L)).start();
48 new Thread(new ChangeT(-400L)).start();
49 new Thread(new ReadT()).start();
50 }
51 } 这样做的话可以保证对64位数据操作的原子性。 可见性一个线程对共享变量做了修改之后其他的线程立即能够看到感知到该变量这种修改变化。 Java内存模型是通过将在工作内存中的变量修改后的值同步到主内存在读取变量前从主内存刷新最新值到工作内存中这种依赖主内存的方式来实现可见性的。 无论是普通变量还是volatile变量都是如此区别在于volatile的特殊规则保证了volatile变量值修改后的新值立刻同步到主内存每次使用volatile变量前立即从主内存中刷新因此volatile保证了多线程之间的操作变量的可见性而普通变量则不能保证这一点。 除了volatile关键字能实现可见性之外还有synchronized,Lockfinal也是可以的。 使用synchronized关键字在同步方法/同步块开始时Monitor Enter,使用共享变量时会从主内存中刷新变量值到工作内存中即从主内存中读取最新值到线程私有的工作内存中在同步方法/同步块结束时(Monitor Exit),会将工作内存中的变量值同步到主内存中去即将线程私有的工作内存中的值写入到主内存进行同步。 使用Lock接口的最常用的实现ReentrantLock(重入锁)来实现可见性当我们在方法的开始位置执行lock.lock()方法这和synchronized开始位置Monitor Enter有相同的语义即使用共享变量时会从主内存中刷新变量值到工作内存中即从主内存中读取最新值到线程私有的工作内存中在方法的最后finally块里执行lock.unlock()方法和synchronized结束位置Monitor Exit有相同的语义,即会将工作内存中的变量值同步到主内存中去即将线程私有的工作内存中的值写入到主内存进行同步。 final关键字的可见性是指被final修饰的变量在构造函数数一旦初始化完成并且在构造函数中并没有把“this”的引用传递出去“this”引用逃逸是很危险的其他的线程很可能通过该引用访问到只“初始化一半”的对象那么其他线程就可以看到final变量的值。 有序性对于一个线程的代码而言我们总是以为代码的执行是从前往后的依次执行的。这么说不能说完全不对在单线程程序里确实会这样执行但是在多线程并发时程序的执行就有可能出现乱序。用一句话可以总结为在本线程内观察操作都是有序的如果在一个线程中观察另外一个线程所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行语义WithIn Thread As-if-Serial Semantics”,后半句是指“指令重排”现象和“工作内存和主内存同步延迟”现象。 Java提供了两个关键字volatile和synchronized来保证多线程之间操作的有序性,volatile关键字本身通过加入内存屏障来禁止指令的重排序而synchronized关键字通过一个变量在同一时间只允许有一个线程对其进行加锁的规则来实现 在单线程程序中不会发生“指令重排”和“工作内存和主内存同步延迟”现象只在多线程程序中出现。 happens-before原则 Java内存模型中定义的两项操作之间的次序关系如果说操作A先行发生于操作B操作A产生的影响能被操作B观察到“影响”包含了修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。 下面是Java内存模型下一些”天然的“happens-before关系这些happens-before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。如果两个操作之间的关系不在此列并且无法从下列规则推导出来的话它们就没有顺序性保障虚拟机可以对它们进行随意地重排序。 a.程序次序规则(Pragram 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要考虑分支、循环结构。 b.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锁而”后面“是指时间上的先后顺序。 c.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取操作这里的”后面“同样指时间上的先后顺序。 d.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。 e.线程终于规则(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我们可以通过Thread.join()方法结束Thread.isAlive()的返回值等作段检测到线程已经终止执行。 f.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事件的发生可以通过Thread.interrupted()方法检测是否有中断发生。 g.对象终结规则(Finalizer Rule)一个对象初始化完成(构造方法执行完成)先行发生于它的finalize()方法的开始。 g.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。 一个操作”时间上的先发生“不代表这个操作会是”先行发生“那如果一个操作”先行发生“是否就能推导出这个操作必定是”时间上的先发生 “呢也是不成立的一个典型的例子就是指令重排序。所以时间上的先后顺序与happens-before原则之间基本没有什么关系所以衡量并发安全问题一切必须以happens-before 原则为准。 转载于:https://www.cnblogs.com/aibabel/p/10903113.html
