JMM和CAS

1. 讲讲什么是JMM

JMM就是Java内存模型(java memory model)。因为在不同的硬件生产商和不同的操作系统下，内存的访问有一定的差异，所以会造成相同的代码运行在不同的系统上会出现各种问题。所以java内存模型(JMM)屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。

Java内存模型规定所有的变量都存储在主内存中，包括实例变量，静态变量，但是不包括局部变量和方法参数。每个线程都有自己的工作内存，线程的工作内存保存了该线程用到的变量和主内存的副本拷贝，线程对变量的操作都在工作内存中进行。线程不能直接读写主内存中的变量。

不同的线程之间也无法访问对方工作内存中的变量。线程之间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

如果听起来抽象的话，我可以画张图给你看看，会直观一点：

每个线程的工作内存都是独立的，线程操作数据只能在工作内存中进行，然后刷回到主存。这是 Java 内存模型定义的线程基本工作方式。

温馨提醒一下，这里有些人会把Java内存模型误解为Java内存结构，然后答到堆，栈，GC垃圾回收，最后和面试官想问的问题相差甚远。实际上一般问到Java内存模型都是想问多线程，Java并发相关的问题。

这个简单，整个Java内存模型实际上是围绕着三个特征建立起来的。分别是：原子性，可见性，有序性。这三个特征可谓是整个Java并发的基础。

原子性

原子性指的是一个操作是不可分割，不可中断的，一个线程在执行时不会被其他线程干扰。

面试官拿笔写了段代码，下面这几句代码能保证原子性吗？

int i = 2;
int j = i;
i++;
i = i + 1;

第一句是基本类型赋值操作，必定是原子性操作。

第二句先读取i的值，再赋值到j，两步操作，不能保证原子性。

第三和第四句其实是等效的，先读取i的值，再+1，最后赋值到i，三步操作了，不能保证原子性。

JMM只能保证基本的原子性，如果要保证一个代码块的原子性，提供了monitorenter 和 moniterexit 两个字节码指令，也就是 synchronized 关键字。因此在 synchronized 块之间的操作都是原子性的。

可见性

可见性指当一个线程修改共享变量的值，其他线程能够立即知道被修改了。Java是利用volatile关键字来提供可见性的。 当变量被volatile修饰时，这个变量被修改后会立刻刷新到主内存，当其它线程需要读取该变量时，会去主内存中读取新值。而普通变量则不能保证这一点。

除了volatile关键字之外，final和synchronized也能实现可见性。

synchronized的原理是，在执行完，进入unlock之前，必须将共享变量同步到主内存中。

final修饰的字段，一旦初始化完成，如果没有对象逸出（指对象为初始化完成就可以被别的线程使用），那么对于其他线程都是可见的。

有序性

在Java中，可以使用synchronized或者volatile保证多线程之间操作的有序性。实现原理有些区别：

volatile关键字是使用内存屏障达到禁止指令重排序，以保证有序性。

synchronized的原理是，一个线程lock之后，必须unlock后，其他线程才可以重新lock，使得被synchronized包住的代码块在多线程之间是串行执行的。

面试官：讲一下volatile关键字吧

内心：这可以重头戏呀，可不能出岔子~

很多并发编程都使用了volatile关键字，主要的作用包括两点：

1. 保证线程间变量的可见性。
2. 禁止CPU进行指令重排序。

可见性

volatile修饰的变量，当一个线程改变了该变量的值，其他线程是立即可见的。普通变量则需要重新读取才能获得最新值。

volatile保证可见性的流程大概就是这个一个过程：

volatile一定能保证线程安全吗

先说结论吧，volatile不能一定能保证线程安全。

怎么证明呢：

volatile不保证原子性问题解决：

1.在方法上加入 synchronized
    引入synchronized，虽然能够保证原子性，但是为了解决number++，而引入重量级的同步机制

 2. 如何不加synchronized解决number++在多线程下是非线程安全的问题？使用AtomicInteger。

禁止指令重排序

首先要讲一下as-if-serial语义，不管怎么重排序，（单线程）程序的执行结果不能被改变。

为了使指令更加符合CPU的执行特性，最大限度的发挥机器的性能，提高程序的执行效率，只要程序的最终结果与它顺序化情况的结果相等，那么指令的执行顺序可以与代码逻辑顺序不一致，这个过程就叫做指令的重排序。

重排序的种类分为三种，分别是：编译器重排序，指令级并行的重排序，内存系统重排序。整个过程如下所示：

指令重排序在单线程是没有问题的，不会影响执行结果，而且还提高了性能。但是在多线程的环境下就不能保证一定不会影响执行结果了。

所以在多线程环境下，就需要禁止指令重排序。

volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

• 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。
• 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。

下面举个例子：

private static int a;//非volatile修饰变量
private static int b;//非volatile修饰变量
private static volatile int k;//volatile修饰变量

private void hello() {
    a = 1;  //语句1
    b = 2;  //语句2
    k = 3;  //语句3
    a = 4;  //语句4
    b = 5;  //语句5
    //以下省略...
}

变量a，b是非volatile修饰的变量，k则使用volatile修饰。所以语句3不能放在语句1、2前，也不能放在语句4、5后。但是语句1、2的顺序是不能保证的，同理，语句4、5也不能保证顺序。

并且，执行到语句3的时候，语句1，2是肯定执行完毕的，而且语句1,2的执行结果对于语句3,4,5是可见的。

CAS

CAS是英文单词Compare-And-Swap的缩写，中文意思是：比较并替换。CAS需要有3个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B。

CAS指令执行时，当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时，将内存地址V的值修改为B，否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作。

CAS的全称是Compare-And-Swap，它是CPU并发原语

它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则更改为新的值，这个过程是原子的

CAS并发原语体现在Java语言中就是sun.misc.Unsafe类的各个方法。调用UnSafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现出CAS汇编指令，这是一种完全依赖于硬件的功能，通过它实现了原子操作，再次强调，由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用于范畴，是由若干条指令组成，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，也就是说CAS是一条CPU的原子指令，不会造成所谓的数据不一致的问题，也就是说CAS是线程安全的。

 面试官问我什么是JMM - 知乎

volatile关键字和CAS总结_AC_Jobim的博客-优快云博客_volatile 和cas