学习系列之并发编程（五）

Java内存模型——JMM

简介

在不同的硬件生产商和不同的操作系统下，内存的访问逻辑有一定的差异，结果就是当你的代码在某个系统环境下运行良好，并且线程安全，但是换了个系统就出现各种问题。Java内存模型，就是为了屏蔽系统和硬件的差异，让一套代码在不同平台下能到达相同的访问结果。JMM从java 5开始的JSR-133发布后，已经成熟和完善起来。

JMM规定了内存主要划分为主内存和工作内存两种。此处的主内存和工作内存跟JVM内存划分（堆、栈、方法区）是在不同的层次上进行的，如果非要对应起来，主内存对应的是Java堆中的对象实例部分，工作内存对应的是栈中的部分区域，从更底层的来说，主内存对应的是硬件的物理内存，工作内存对应的是寄存器和高速缓存。

内存交互操作（参考）

内存交互操作有8种，虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的，不可在分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许例外）
lock （锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态
unlock （解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定
read （读取）：作用于主内存变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用
load （载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主存中变量放入工作内存中
use （使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令
assign （赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
store （存储）：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write使用
write 　（写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中
JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则：
不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load，使用了store必须write
不允许线程丢弃他最近的assign操作，即工作变量的数据改变了之后，必须告知主存
不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存
一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施use、store操作之前，必须经过assign和load操作
一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后，必须执行相同次数的unlock才能解锁
如果对一个变量进行lock操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，必须重新load或assign操作初始化变量的值
如果一个变量没有被lock，就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量
对一个变量进行unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存

关于JMM的一些同步的约定：
1、线程解锁前，必须把共享变量立刻刷回主存。
2、线程加锁前，必须读取主存中的最新值到工作内存中！
3、加锁和解锁是同一把锁

Volatile

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：
　　1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
　　2）禁止进行指令重排序。

1.保证可见性测试：

public class VolatileTest {

    private volatile static int num = 0;//如果不加volatile会一直死循环，添加后保证了可见性

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {//main线程
        new Thread(

                ()->{   //线程1
                    while (num==0){

                    }
                }
        ).start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
         num =1;
        System.out.println(num);
    }
}

2.不保证原子性测试
原子性 : 是指不可分割。线程A在执行任务的时候，不能被打扰的，也不能被分割。要么同时成功，要么同时失败（有点像是事务）。

public class VolatileTest {

    private volatile static int num = 0;

    public static void add(){
        num++;
    }
    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(
                    ()->{
                        for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                            add();
                        }
                    }
            ).start();
        }
        while (Thread.activeCount()>2){
            Thread.yield();  //活跃线程大于2  gc线程和main线程
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + num);
    }
}

由于不能保障原子性，所以，输出的num值，是小于20000的。

main18737
Process finished with exit code 0

lock和synchronized可以实现原子性。如果不用lock和synchronized的话，用volatile 和原子类可以实现原子性：

public class VolatileTest {

    private volatile static AtomicInteger num = new AtomicInteger();

    public static void add(){
        num.getAndIncrement();
    }
    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(
                    ()->{
                        for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                            add();
                        }
                    }
            ).start();
        }
        while (Thread.activeCount()>2){
            Thread.yield();  //活跃线程大于2  gc线程和main线程
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + num);
    }
}

可以看到，结果已经是预期的20000了

main20000

Process finished with exit code 0

3.指令重排
指令重排序是JVM为了优化指令，提高程序运行效率，在不影响单线程程序执行结果的前提下，尽可能地提高并行度。编译器、处理器也遵循这样一个目标。注意是单线程。多线程的情况下指令重排序就会给程序员带来问题。volatile关键字通过提供“内存屏障”的方式来防止指令被重排序，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。
volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：
　　1）当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
　　2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

volatile和synchronized区别（参考）

1、volatile不会进行加锁操作：
volatile变量是一种稍弱的同步机制在访问volatile变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，因此volatile变量是一种比synchronized关键字更轻量级的同步机制。
2、volatile变量作用类似于同步变量读写操作：
从内存可见性的角度看，写入volatile变量相当于退出同步代码块，而读取volatile变量相当于进入同步代码块。
3、volatile不如synchronized安全：
在代码中如果过度依赖volatile变量来控制状态的可见性，通常会比使用锁的代码更脆弱，也更难以理解。仅当volatile变量能简化代码的实现以及对同步策略的验证时，才应该使用它。一般来说，用同步机制会更安全些。
4、volatile无法同时保证内存可见性和原子性：
加锁机制（即同步机制）既可以确保可见性又可以确保原子性，而volatile变量只能确保可见性，原因是声明为volatile的简单变量如果当前值与该变量以前的值相关，那么volatile关键字不起作用，也就是说如下的表达式都不是原子操作：“count++”、“count = count+1”。
当且仅当满足以下所有条件时，才应该使用volatile变量：
1、 对变量的写入操作不依赖变量的当前值，或者你能确保只有单个线程更新变量的值。
2、该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。
总结：在需要同步的时候，第一选择应该是synchronized关键字，这是最安全的方式，尝试其他任何方式都是有风险的。尤其在、jdK1.5之后，对synchronized同步机制做了很多优化，如：自适应的自旋锁、锁粗化、锁消除、轻量级锁等，使得它的性能明显有了很大的提升。