7张图带你轻松理解Java 线程安全,java缓存机制面试

简介: 7张图带你轻松理解Java 线程安全,java缓存机制面试

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上图描述了一个多线程执行场景。线程 A 和线程 B 分别对主内存的变量进行读写操作。其中主内存中的变量为共享变量,也就是说此变量只此一份,多个线程间共享。但是线程不能直接读写主内存的共享变量,每个线程都有自己的工作内存,线程需要读写主内存的共享变量时需要先将该变量拷贝一份副本到自己的工作内存,然后在自己的工作内存中对该变量进行所有操作,线程工作内存对变量副本完成操作之后需要将结果同步至主内存。


线程的工作内存是线程私有内存,线程间无法互相访问对方的工作内存。


为了便于理解,用图来描述一下线程对变量赋值的流程。


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那么问题来了,线程工作内存怎么知道什么时候又是怎样将数据同步到主内存呢?这里就轮到 JMM 出场了。JMM 规定了何时以及如何做线程工作内存与主内存之间的数据同步。


对 JMM 有了初步的了解,简单总结一下原子性、可见性、有序性。


原子性:对共享内存的操作必须是要么全部执行直到执行结束,且中间过程不能被任何外部因素打断,要么就不执行。


可见性:多线程操作共享内存时,执行结果能够及时的同步到共享内存,确保其他线程对此结果及时可见。


有序性:程序的执行顺序按照代码顺序执行,在单线程环境下,程序的执行都是有序的,但是在多线程环境下,JMM 为了性能优化,编译器和处理器会对指令进行重排,程序的执行会变成无序。


到这里,我们可以引出本文的主题了 --【线程安全】。


线程安全的本质


其实第一张图的例子是有问题的,主内存中的变量是共享的,所有线程都可以访问读写,而线程工作内存又是线程私有的,线程间不可互相访问。那在多线程场景下,图上的线程 A 和线程 B 同时来操做共享内存里的同一个变量,那么主内存内的此变量数据就会被破坏。也就是说主内存内的此变量不是线程安全的。我们来看个代码小例子帮助理解。


public class ThreadDemo {
private int x = 0;
private void count() {
x++;
}
public void runTest() {
new Thread() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++) {
count();
}
System.out.println("final x from 1: " + x);
}
}.start();
new Thread() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++) {
count();
}
System.out.println("final x from 2: " + x);
}
}.start();
}
public static void main(String[] args) {
new ThreadDemo().runTest();
}
}


示例代码中 runTest 方法2个线程分别执行 1_000_000 次 count() 方法, count() 方法中只执行简单的 x++ 操作,理论上每次执行 runTest 方法应该有一个线程输出的 x 结果应该是2_000_000。但实际的运行结果并非我们所想:


final x from 1: 989840


final x from 2: 1872479


我运行了10次,其中一个线程输出 x 的值为 2_000_000 只出现了2次。


final x from 1: 1000000


final x from 2: 2000000


出现这样的结果的原因也就是我们上面所说的,在多线程环境下,我们主内存的 x 变量的数据被破坏了。我们都知道完成一次 i++ 相当于执行了:


int tmp = x + 1;


x = tmp;


在多线程环境下就会出现在执行完 int tmp = x + 1; 这行代码时就发生了线程切换,当线程再次切回来的时候,x 就会被重复赋值,导致出现上面的运行结果,2个线程都无法输出 2_000_000。


下图描述了示例代码的执行时序:


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那么 Java 是如何来解决上述问题来保证线程安全,保证共享内存的原子性、可见性、有序性的呢?


##/ 线程同步 /


Java 提供了一系列的关键字和类来保证线程安全。


Synchronized 关键字

Synchronized 作用


保证方法或代码块操作的原子性


Synchronized 保证⽅法内部或代码块内部资源(数据)的互斥访问。即同⼀时间、由同⼀个 Monitor(监视锁) 监视的代码,最多只能有⼀个线程在访问。


话不多说来张动图描述一下 Monitor 工作机制:

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