JUC 同步和Java内存模型

同步和Java内存模型 (一)原子性

除了long型字段和double型字段外，java内存模型确保访问任意类型字段所对应的内存单元都是原子的。这包括引用其它对象的引用类型的字段。此外，volatile long 和volatile double也具有原子性 。（虽然java内存模型不保证non-volatile long 和 non-volatile double的原子性，当然它们在某些场合也具有原子性。）（译注：non-volatile long在64位JVM，OS，CPU下具有原子性）

当在一个表达式中使用一个non-long或者non-double型字段时，原子性可以确保你将获得这个字段的初始值或者某个线程对这个字段写入之后的值；但不会是两个或更多线程在同一时间对这个字段写入之后产生混乱的结果值（即原子性可以确保，获取到的结果值所对应的所有bit位，全部都是由单个线程写入的）。但是，如下面（译注：指可见性章节）将要看到的，原子性不能确保你获得的是任意线程写入之后的最新值。 因此，原子性保证通常对并发程序设计的影响很小。

同步和Java内存模型 (二)可见性

只有在下列情况时，一个线程对字段的修改才能确保对另一个线程可见：

一个写线程释放一个锁之后，另一个读线程随后获取了同一个锁。本质上，线程释放锁时会将强制刷新工作内存中的脏数据到主内存中，获取一个锁将强制线程装载（或重新装载）字段的值。锁提供对一个同步方法或块的互斥性执行，线程执行获取锁和释放锁时，所有对字段的访问的内存效果都是已定义的。

注意同步的双重含义：锁提供高级同步协议，同时在线程执行同步方法或块时，内存系统（有时通过内存屏障指令）保证值的一致性。这说明，与顺序程序设计相比较，并发程序设计与分布式程序设计更加类似。同步的第二个特性可以视为一种机制：一个线程在运行已同步方法时，它将发送和/或接收其他线程在同步方法中对变量所做的修改。从这一点来说，使用锁和发送消息仅仅是语法不同而已。

如果把一个字段声明为volatile型，线程对这个字段写入后，在执行后续的内存访问之前，线程必须刷新这个字段且让这个字段对其他线程可见（即该字段立即刷新）。每次对volatile字段的读访问，都要重新装载字段的值。

一个线程首次访问一个对象的字段，它将读到这个字段的初始值或被某个线程写入后的值。 此外，把还未构造完成的对象的引用暴露给某个线程，这是一个错误的做法 (see ?.1.2)。在构造函数内部开始一个新线程也是危险的，特别是这个类可能被子类化时。Thread.start有如下的内存效果：调用start方法的线程释放了锁，随后开始执行的新线程获取了这个锁。如果在子类构造函数执行之前，可运行的超类调用了new Thread(this).start()，当run方法执行时，对象很可能还没有完全初始化。同样，如果你创建且开始一个新线程T，这个线程使用了在执行start之后才创建的一个对象X。你不能确信X的字段值将能对线程T可见。除非你把所有用到X的引用的方法都同步。如果可行的话，你可以在开始T线程之前创建X。

线程终止时，所有写过的变量值都要刷新到主内存中。比如，一个线程使用Thread.join来终止另一个线程，那么第一个线程肯定能看到第二个线程对变量值得修改。

注意，在同一个线程的不同方法之间传递对象的引用，永远也不会出现内存可见性问题。 内存模型确保上述操作最终会发生，一个线程对一个特定字段的特定更新，最终将会对其他线程可见，但这个“最终”可能是很长一段时间。线程之间没有同步时，很难保证对字段的值能在多线程之间保持一致（指写线程对字段的写入立即能对读线程可见）。特别是，如果字段不是volatile或没有通过同步来访问这个字段，在一个循环中等待其他线程对这个字段的写入，这种情况总是错误的(see ?.2.6)。

在缺乏同步的情况下，模型还允许不一致的可见性。比如，得到一个对象的一个字段的最新值，同时得到这个对象的其他字段的过期的值。同样，可能读到一个引用变量的最新值，但读取到这个引用变量引用的对象的字段的过期值。 不管怎样，线程之间的可见性并不总是失效（指线程即使没有使用同步，仍然有可能读取到字段的最新值），内存模型仅仅是允许这种失效发生而已。因此，即使多个线程之间没有使用同步，也不保证一定会发生内存可见性问题（指线程读取到过期的值），java内存模型仅仅是允许内存可见性问题发生而已。在很多当前的JVM实现和java执行平台中，甚至是在那些使用多处理器的JVM和平台中，也很少出现内存可见性问题。共享同一个CPU的多个线程使用公共的缓存，缺少强大的编译器优化，以及存在强缓存一致性的硬件，这些都会使线程更新后的值能够立即在多线程之间传递。这使得测试基于内存可见性的错误是不切实际的，因为这样的错误极难发生。或者这种错误仅仅在某个你没有使用过的平台上发生，或仅在未来的某个平台上发生。这些类似的解释对于多线程之间的内存可见性问题来说非常普遍。没有同步的并发程序会出现很多问题，包括内存一致性问题。

同步和Java内存模型(三)有序性

有序性规则表现在以下两种场景: 线程内和线程间

• 从某个线程的角度看方法的执行，指令会按照一种叫“串行”（as-if-serial）的方式执行，此种方式已经应用于顺序编程语言。
• 这个线程“观察”到其他线程并发地执行非同步的代码时，任何代码都有可能交叉执行。唯一起作用的约束是：对于同步方法，同步块以及volatile字段的操作仍维持相对有序。

再次提醒，这些仅是最小特性的规则。具体到任何一个程序或平台上，可能存在更严格的有序性规则。所以你不能依赖它们，因为即使你的代码遵循了这些更严格的规则，仍可能在不同特性的JVM上运行失败，而且测试非常困难。

需要注意的是，线程内部的观察视角被JLS [1] 中其他的语义的讨论所采用。例如，算术表达式的计算在线程内看来是从左到右地执行操作（JLS 15.6章节），而这种执行效果是没有必要被其他线程观察到的。

仅当某一时刻只有一个线程操作变量时，线程内的执行表现为串行。出现上述情景，可能是因为使用了同步，互斥体**[2]** 或者纯属巧合。当多线程同时运行在非同步的代码里进行公用字段的读写时，会形成一种执行模式。在这种模式下，代码会任意交叉执行，原子性和可见性会失效，以及产生竞态条件。这时线程执行不再表现为串行。

尽管JLS列出了一些特定的合法和非法的重排序，如果碰到所列范围之外的问题，会降低以下这条实践保证 ：运行结果反映了几乎所有的重排序产生的代码交叉执行的情况。所以，没必要去探究这些代码的有序性。

译注：

【1】JLS：Java Language Specification ，Java语言规范

【2】互斥体：原文为structural exclusion，译者认为意同 mutual exclusion ，详见 互斥体。

同步和Java内存模型（四）Volatile

从原子性，可见性和有序性的角度分析，声明为volatile字段的作用相当于一个类通过get/set同步方法保护普通字段，如下：

final class VFloat {
    private float value;

    final synchronized void set(float f) { value = f; }
    final synchronized float get()       { return value; }
}

与使用synchronized相比，声明一个volatile字段的区别在于没有涉及到锁操作。但特别的是对volatile字段进行“++”这样的读写操作不会被当做原子操作执行。

另外，有序性和可见性仅对volatile字段进行一次读取或更新操作起作用。声明一个引用变量为volatile，不能保证通过该引用变量访问到的非volatile变量的可见性。同理，声明一个数组变量为volatile不能确保数组内元素的可见性。volatile的特性不能在数组内传递，因为数组里的元素不能被声明为volatile。

由于没有涉及到锁操作，声明volatile字段很可能比使用同步的开销更低，至少不会更高。但如果在方法内频繁访问volatile字段，很可能导致更低的性能，这时还不如锁住整个方法。

如果你不需要锁，把字段声明为volatile是不错的选择，但仍需要确保多线程对该字段的正确访问。可以使用volatile的情况包括：

• 该字段不遵循其他字段的不变式。
• 对字段的写操作不依赖于当前值。
• 没有线程违反预期的语义写入非法值。
• 读取操作不依赖于其它非volatile字段的值。

当只有一个线程可以修改字段的值，其它线程可以随时读取，那么把字段声明为volatile是合理的。例如，一个名叫Thermometer(中文：体温计)的类，可以声明temperature字段为volatile。正如在3.4.2节所讨论，一个volatile字段很适合作为完成某些工作的标志。另一个例子在4.4节有描述，通过使用轻量级的执行框架使某些同步工作自动化，但是仍需把结果字段声明为volatile，使其对各个任务都是可见的。