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Java内部存储器模型与线程标准汉语版澳门新蒲京

JSR-133规范,即Java内存模型与线程规范,由JSR-133专家组开发。该规范的中文版由并发编程网的丁一翻译和校对。下载地址:JSR133中文版JSR-133规范是JSR-176发布版的主要特性)的一部分。本规范的标准内容将合并到Java语言规范、Java虚拟机规范以及java.lang包的类说明中。本JSR-133规范将不再通过JCP维护和修改。未来所有对这些标准化内容的更新、修正以及说明都会出现在上述这些文档中。本规范的标准化内容包含在第5、7、9.2、9.3、11、12、14、15以及16节。其它章节,以及上述提到的章节的部分内容,属非标准化内容,用于解释和说明标准化内容。如果标准化内容和非标准化内容有冲突,以标准化内容为准。本规范的讨论与开发异常复杂且专业性强,需要对一些学术论题有深刻的见解并了解它们的发展过程。这些讨论在JMM web站点上都有存档。该站点提供了额外的信息,可以帮助理解本规范形成的过程。上述web站点以及邮件列表将持续更新和维护,非标准化内容,有助于人们理解JSR-133规范,未来若有更新和扩展,将可以从该站点上找到。在对JLS原始规范的改变中,有两处最有可能要求JVM实现也做出相应的变动:加强了volatile变量的语义,需要有acquire和release语义。在原始的规范中,volatile变量的访问和非volatile变量的访问之间可以自由地重排序。加强了final字段的语义,无需显式地同步,不可变对象也是线程安全的。这可能需要在给final字段赋值的那些构造器的末尾加上store-store屏障。本文转载自并发编程网:原文链接 / 译文链接 / 翻译:丁一

第1章介绍Java并发编程的挑战,会向读者说明可能会遇到哪些问题,以及如何解决。第2章Java并发编程的底层实现原理,从CPU和JVM2个层面剖析。第3章详细深入介绍了Java的内存模型。第4章从介绍多线程技术带来的好处开始,讲述了如何启动和终止线程以及线程的状态,详细阐述了多线程之间进行通信的基本方式和等待/通知经典范式。第5章介绍Java并发包中与锁相关的API和组件,以及这些API和组件的使用方式和实现细节。第6章介绍了Java中的大部分并发容器及其实现原理。第7章介绍了Java中的原子操作类,并给出一些实例。第8章介绍了Java中提供的很多并发工具类。第9章介绍了Java中的线程池实现原理和使用建议。第10章介绍了Executor框架的整体结构和成员组件。第11章介绍几个并发编程的实战与并发编程问题排查。 

2.happens-before简介

1.从JDK5开始,Java使用新的JSR-133内存模型。JSR-133使用happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。

2.在JMM中如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见,那么这两个操作之间必须存在happens-before关系。这里的操作既可以是在一个线程内,也可以在不同线程之间。

3.与程序员密切相关的happens-before规则如下

  • 程序顺序规则:一个线程中的每个操作,happens-before于该线程中的任意后续操作。
  • 监视器锁规则:对一个锁的解锁,happens-before于随后对这个锁加锁。
  • volatile变量规则:对一个volatile域的写,happens-before于任意后续对这个volatile域的读。
  • 传递性:如果 A happens-before B, 且 B happens-before C,那么 A happens-before C.

实际效果截图如下:

volatile内存语义的实现

为了实现volatile的内存语义,编译器在生成字节码时,会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略。

  • 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障
  • 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障
  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障
  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障

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1.Java内存模型的抽象结构

1.Java线程之间的通讯由Java内存模型(JMM)控制,JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。

2.线程之间的共享变量存储在主内存中,每个线程都有一个私有的本地内存,本地内存存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是一个抽象概念,并不真实存在。

3.Java内存模型的抽象示意图如下

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如果线程A与线程B之间要通讯的话,需要经历下面两个步骤。

  • 1.线程A把本地内存A中更新的共享变量刷新到主内存中去。
  • 2.线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

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FTP地址:ftp://ftp1.linuxidc.com

Java内存模型的基础

本文是《java并发编程的艺术》一书的学习笔记

目录

Volatile的特性

理解volatile特性的一个方法是把对volatile变量的单个读/写,看成是使用同一个锁对这个读/写做了同步。下面通过具体示例说明:

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假设有多个线程分别调用上面程序的3个方法,这个程序在语义上和下面的程序等价

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如上面的程序所示,一个volatile变量的单个读/写操作,与一个普通变量的读/写操作是使用同一个锁来同步,它们之间的执行效果相同。

volatile具有以下特性

  • 可见性。 当线程A对volatile变量写入时,该变量会刷新到主内存。然后当线程B读取该volatile变量时,会在主内存中进行读取,避免在自身的本地线程读取。 对一个volatile变量的读,总是能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入。
  • 原子性。 对任意单个volatile变量的读/写具有原子性,但类似volatile 这种复合操作不具有原子性。
  • 禁止编译器处理器指令重排序。 严格限制编译器处理器对volatile变量与普通变量的重排序,确保volatile的读/写和锁的释放/获取具有相同的内存语义。

在 2016年LinuxIDC.com7月Java 并发编程的艺术PDF清晰完整版 源码

基于类初始化的解决方案

JVM在类的初始化阶段(即在Class被加载后,且被线程使用之前),会执行类的初始化。在执行类的初始化期间,JVM会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。

基于这个特性,可以实现另一种线程安全的延迟初始化方案

public class StaticInnerSingleton {
private StaticInnerSingleton() {
}
public static StaticInnerSingleton getInstance() {
    return SingletonHolder.sInstance;
}
// 静态内部类
private static class SingletonHolder {
    private static final StaticInnerSingleton sInstance = new StaticInnerSingleton();
}
}

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参考:

《java并发编程的艺术》

下载方法见 http://www.linuxidc.com/Linux/2013-10/91140.htm

注意

两个操作之间具有happens-before关系,并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行! happens-before仅仅要求前一个操作(执行的结果)对后一个操作可见,且前一个操作按顺序排在第二个操作之前

happens-before与JMM的关系如下:

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Volatile内存语义

本文永久更新链接地址:http://www.linuxidc.com/Linux/2016-07/133404.htm

final域的内存语义

1.通过为final域增加读写重排序规则,可以为java程序员提供初始化安全保证:

只要对象是正确构造的(被构造对象的引用在构造函数中没有“逸出”),那么不需要使用同步(指lock和volatile的使用)就可以保证任意线程都能看到这个final域在构造函数中被初始化之后的值

2.为什么final引用不能从构造函数内"逸出"?

看下示例代码:

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假设线程A执行writer()方法,线程B执行reader()方法。这里的操作2使得对象还未完成构造前就为线程B可见。即使这里的操作2是构造函数的最后一步,且在程序中操作2排在操作1后面,执行read()方法的线程仍然可能无法看到final域被初始化后的值,因为这里的操作1和操作2可能被重排序。

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锁的内存语义

1.当线程释放锁时,JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中

2.当线程获取锁时,JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量。

用户名:ftp1.linuxidc.com

基于volatile的解决方案

public class SafeDoubleCheckedLocking{
    private volatile static Instance instance;//声明volatile
    public static Instance getInstance(){
        if (instance == null){
            synchronized (SafeDoubleCheckedLocking.class){
                if (instance == null){
                    instance = new Instance(); //没有问题
                }
            }
        }
    }
}

声明对象的引用为volatile后,禁止伪代码中的2,3重排序

密码:www.linuxidc.com

双重检查锁定的由来

下面是示例代码

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上面的代码是有问题的,问题的根源在第7行初始化的时候。
因为初始化构造的时候会存在重排序
new DclSinglenton()初始化构造的时候可以分解如下三行伪代码:

memory = allocate(); //1.分配对象的内存空间
ctorInstance(memory);//2.初始化对象
instance = memory;//3.设置instance指向刚分配的内存地址

多线程情况下2,3可能会重排序,如下:

memory = allocate(); //1.分配对象的内存空间
instance = memory;//3.设置instance指向刚分配的内存地址
                      //注意,此时对象还没有被初始化
ctorInstance(memory);//2.初始化对象

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第7行如果发生重排序,另一个并发执行的线程B就有可能在第4行判断instance不为null. 线程B接下来将访问instance所引用的对象,但此时这个对象可能还没有被A线程初始化!

解决方法:
1.不允许2和3重排序
2.允许2和3重排序,但不允许其他线程”看到“这个重排序。

《Java 并发编程的艺术》一书结合JDK的源码介绍了Java并发框架、线程池的实现原理,帮助读者做到知其所以然。本书对原理的剖析不仅仅局限于Java层面,而是深入到JVM,甚至CPU层面来进行讲解,帮助读者从更底层看并发技术。

双重检查锁定与延迟初始化

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《Java并发编程的艺术》内容涵盖Java并发编程机制的底层实现原理、Java内存模型、Java并发编程基础、Java中的锁、并发容器和框架、原子类、并发工具类、线程池、Executor框架等主题,每个主题都做了深入的讲解,同时通过实例介绍了如何应用这些技术。

前 言
 第1章 并发编程的挑战 1
 1.1 上下文切换 1
 1.1.1 多线程一定快吗 1
 1.1.2 测试上下文切换次数和时长 3
 1.1.3 如何减少上下文切换 3
 1.1.4 减少上下文切换实战 4
 1.2 死锁 5
 1.3 资源限制的挑战 6
 1.4 本章小结 7
第2章 Java并发机制的底层实现原理 8
 2.1 volatile的应用 8
 2.2 synchronized的实现原理与应用 11
 2.2.1 Java对象头 12
 2.2.2 锁的升级与对比 13
 2.3 原子操作的实现原理 16
 2.4 本章小结 20
第3章 Java内存模型 21
 3.1 Java内存模型的基础 21
 3.1.1 并发编程模型的两个关键问题 21
 3.1.2 Java内存模型的抽象结构 22
 3.1.3 从源代码到指令序列的重排序 23
 3.1.4 并发编程模型的分类 24
 3.1.5 happens-before简介 26
 3.2 重排序 27
 3.2.1 数据依赖性 28
 3.2.2 as-if-serial语义 28
 3.2.3 程序顺序规则 29
 3.2.4 重排序对多线程的影响 29
 3.3 顺序一致性 31
 3.3.1 数据竞争与顺序一致性 31
 3.3.2 顺序一致性内存模型 32
 3.3.3 同步程序的顺序一致性效果 34
 3.3.4 未同步程序的执行特性 35
 3.4 volatile的内存语义 38
 3.4.1 volatile的特性 38
 3.4.2 volatile写-读建立的happens-before关系 39
 3.4.3 volatile写-读的内存语义 40
 3.4.4 volatile内存语义的实现 42
 3.4.5 JSR-133为什么要增强volatile的内存语义 46
 3.5 锁的内存语义 47
 3.5.1 锁的释放-获取建立的
happens-before关系 47
 3.5.2 锁的释放和获取的内存语义 48
 3.5.3 锁内存语义的实现 50
 3.5.4 concurrent包的实现 54
 3.6 final域的内存语义 55
 3.6.1 final域的重排序规则 55
 3.6.2 写final域的重排序规则 56
 3.6.3 读final域的重排序规则 57
 3.6.4 final域为引用类型 58
 3.6.5 为什么final引用不能从构造函数内“溢出” 59
 3.6.6 final语义在处理器中的实现 61
 3.6.7 JSR-133为什么要增强f?inal的语义 62
 3.7 happens-before 62
 3.7.1 JMM的设计 62
 3.7.2 happens-before的定义 64
 3.7.3 happens-before规则 65
 3.8 双重检查锁定与延迟初始化 67
 3.8.1 双重检查锁定的由来 67
 3.8.2 问题的根源 69
 3.8.3 基于volatile的解决方案 71
 3.8.4 基于类初始化的解决方案 72
 3.9 Java内存模型综述 78
 3.9.1 处理器的内存模型 78
 3.9.2 各种内存模型之间的关系 80
 3.9.3 JMM的内存可见性保证 80
 3.9.4 JSR-133对旧内存模型的修补 81
 3.10 本章小结 82
第4章 Java并发编程基础 83
 4.1 线程简介 83
 4.1.1 什么是线程 83
 4.1.2 为什么要使用多线程 84
 4.1.3 线程优先级 85
 4.1.4 线程的状态 87
 4.1.5 Daemon线程 90
 4.2 启动和终止线程 91
 4.2.1 构造线程 91
 4.2.2 启动线程 92
 4.2.3 理解中断 92
 4.2.4 过期的suspend()、resume()和stop() 93
 4.2.5 安全地终止线程 95
 4.3 线程间通信 96
 4.3.1 volatile和synchronized关键字 96
 4.3.2 等待/通知机制 98
 4.3.3 等待/通知的经典范式 101
 4.3.4 管道输入/输出流 102
 4.3.5 Thread.join()的使用 103
 4.3.6 ThreadLocal的使用 105
 4.4 线程应用实例 106
 4.4.1 等待超时模式 106
 4.4.2 一个简单的数据库连接池示例 106
 4.4.3 线程池技术及其示例 110
 4.4.4 一个基于线程池技术的简单Web服务器 114
 4.5 本章小结 118
第5章 Java中的锁 119
 5.1 Lock接口 119
 5.2 队列同步器 121
 5.2.1 队列同步器的接口与示例 121
 5.2.2 队列同步器的实现分析 124
 5.3 重入锁 136
 5.4 读写锁 140
 5.4.1 读写锁的接口与示例 141
 5.4.2 读写锁的实现分析 142
 5.5 LockSupport工具 146
 5.6 Condition接口 147
 5.6.1 Condition接口与示例 148
 5.6.2 Condition的实现分析 150
 5.7 本章小结 154
第6章 Java并发容器和框架 155
 6.1 ConcurrentHashMap的实现原理与使用 155
 6.1.1 为什么要使用ConcurrentHashMap 155
 6.1.2 ConcurrentHashMap的结构 156
 6.1.3 ConcurrentHashMap的初始化 157
 6.1.4 定位Segment 159
 6.1.5 ConcurrentHashMap的操作 160
 6.2 ConcurrentLinkedQueue 161
 6.2.1 ConcurrentLinkedQueue的结构 162
 6.2.2 入队列 162
 6.2.3 出队列 165
 6.3 Java中的阻塞队列 167
 6.3.1 什么是阻塞队列 167
 6.3.2 Java里的阻塞队列 168
 6.3.3 阻塞队列的实现原理 172
 6.4 Fork/Join框架 175
 6.4.1 什么是Fork/Join框架 175
 6.4.2 工作窃取算法 176
 6.4.3 Fork/Join框架的设计 177
 6.4.4 使用Fork/Join框架 177
 6.4.5 Fork/Join框架的异常处理 179
 6.4.6 Fork/Join框架的实现原理 179
 6.5 本章小结 181
第7章 Java中的13个原子操作类 182
 7.1 原子更新基本类型类 182
 7.2 原子更新数组 184
 7.3 原子更新引用类型 185
 7.4 原子更新字段类 187
 7.5 本章小结 188
第8章 Java中的并发工具类 189
 8.1 等待多线程完成的CountDownLatch 189
 8.2 同步屏障CyclicBarrier 191
 8.2.1 CyclicBarrier简介 191
 8.2.2 CyclicBarrier的应用场景 193
 8.2.3 CyclicBarrier和CountDownLatch的区别 195
 8.3 控制并发线程数的Semaphore 196
 8.4 线程间交换数据的Exchanger 198
 8.5 本章小结 199
第9章 Java中的线程池 200
 9.1 线程池的实现原理 200
 9.2 线程池的使用 203
 9.2.1 线程池的创建 203
 9.2.2 向线程池提交任务 205
 9.2.3 关闭线程池 205
 9.2.4 合理地配置线程池 206
 9.2.5 线程池的监控 206
 9.3 本章小结 207
第10章 Executor框架 208
 10.1 Executor框架简介 208
 10.1.1 Executor框架的两级调度模型 208
 10.1.2 Executor框架的结构与成员 208
 10.2 ThreadPoolExecutor详解 213
 10.2.1 FixedThreadPool详解 213
 10.2.2 SingleThreadExecutor详解 214
 10.2.3 CachedThreadPool详解 215
 10.3 ScheduledThreadPoolExecutor详解 217
 10.3.1 ScheduledThreadPoolExecutor的运行机制 217
 10.3.2 ScheduledThreadPoolExecutor的实现 218
 10.4 FutureTask详解 221
 10.4.1 FutureTask简介 222
 10.4.2 FutureTask的使用 222
 10.4.3 FutureTask的实现 224
 10.5 本章小结 227
第11章 Java并发编程实践 228
 11.1 生产者和消费者模式 228
 11.1.1 生产者消费者模式实战 229
 11.1.2 多生产者和多消费者场景 231
 11.1.3 线程池与生产消费者模式 234
 11.2 线上问题定位 234
 11.3 性能测试 236
 11.4 异步任务池 238
 11.5 本章小结 240

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作者: 方腾飞;魏鹏;程晓明

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