趣谈Java内存模型，揭开多线程程序世界的神秘面纱

2022-11-08 14:23:02

Java内存模型：保障多线程程序的内存一致性

内存可见性

想象一下一个多线程程序，其中多个线程同时访问共享变量。当一个线程修改该变量时，其他线程能否立即看到修改后的值？这就是内存可见性的问题。

Java内存模型（JMM）通过happen-before原则 来保证内存可见性。该原则规定，如果一个操作A先行于操作B（先执行），那么操作A对共享变量的修改一定在操作B之前对所有线程可见。例如，当一个线程将共享变量的值从0修改为1时，该修改立即对所有线程可见，因为赋值操作在逻辑上先于所有其他操作。

有序性

有序性确保了共享变量的修改顺序与程序中定义的顺序一致。如果一个线程对共享变量执行了一系列修改，那么其他线程必须按照相同的顺序看到这些修改。

JMM通过happen-before原则 和volatile 来保证有序性。happen-before原则规定，如果操作A锁定了一个对象，那么该操作对共享变量的修改一定在后续所有对该对象的访问之前对所有线程可见。volatile关键字通过阻止编译器对共享变量进行重排序来保证有序性。

原子性

原子性保证了对共享变量的修改是一个不可分割的操作，不能被其他线程打断。这意味着，如果一个线程正在修改共享变量，那么其他线程无法同时修改该变量。

JMM通过synchronized关键字 和lock关键字 来保证原子性。synchronized关键字通过锁定一个对象来确保同一时刻只有一个线程可以访问该对象的共享变量。lock关键字提供了一种更灵活的锁机制，允许线程在获得锁之前指定等待时间和公平性规则。

实战应用

volatile

保证共享变量的内存可见性
不保证有序性和原子性

synchronized关键字：

保证共享变量的内存可见性、有序性和原子性
使用简单，但开销可能较高

lock关键字：

保证共享变量的内存可见性、有序性和原子性
提供更灵活的锁机制

常见问题与解决方案

竞态条件：

竞态条件是多个线程同时访问共享变量时，执行结果取决于线程执行顺序的不确定性。解决竞态条件的常用方法是使用synchronized或lock关键字。

数据竞争：

数据竞争是多个线程同时修改共享变量时，执行结果是不确定的。解决数据竞争的常用方法是使用synchronized或lock关键字。

死锁：

死锁是两个或多个线程互相等待对方释放锁，导致所有线程都无法继续执行。避免死锁的常用方法是避免循环等待和使用超时机制。

代码示例：

// 使用synchronized关键字保证原子性
public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

// 使用volatile关键字保证内存可见性
public class SharedVariable {
    private volatile int value = 0;

    public void setValue(int value) {
        this.value = value;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }
}