JMM简单学习

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Volatile

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JMM学习

学习资料：

b站诸葛老师-JMM篇

一、系统CPU和主内存交互图：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-LFfRxagn-1593677912974)(E:\typoraPic\image-20200701200952976.png)]$

二、JMM模型

Java线程内存模型跟cpu缓存模型类似，是基于cpu缓存模型来建立的，java线程内存模型是标准化的，屏蔽掉了底层不同计算机的区别

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cUlphejS-1593677912982)(E:\typoraPic\image-20200701203102180.png)]$

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-stMJehgC-1593677912989)(E:\typoraPic\image-20200701213140382.png)]$

注意：每个线程操作共享变量操作的是复制主内存的副本，当一个线程修改了自己工作内存中变量，对其他线程是不可见的，会导致线程不安全的问题。下面代码演示这种问题：

代码测试：

package com.lxf.volatileT;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 两个线程访问同一个共享变量，一个线程修改完共享变量后，另一个线程对这个共享变量是不可见的
 */
public class JMMDemo {
    private  static   boolean flag=true;

    public static  void main(String[] args) {

        new Thread(()->{//线程1
            while (flag){

            }
        }).start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        flag=false;
        System.out.println("flag="+flag);
    }
}

结果：打印flag=true,但是线程1并未停止

解决方法：

package com.lxf.volatileT;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * volatile实现实现之间共享变量可见
 *volatile作用：线程之间可见、有序性（防止指令重排）、不能保证原子性
 */
public class JMMDemo {
    private  static volatile  boolean flag=true;

    public static  void main(String[] args) {

        new Thread(()->{//线程1
            while (flag){

            }
        }).start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        flag=false;
        System.out.println("flag="+flag);
    }
}

在打印flag=true之后，线程1也停止了

三、JMM数据原子操作、volatile原理、volatile特性

3.1、JMM数据原子操作

read(读取)：从主内存读取数据
load(载入)：将主内存读取到的数据写入工作内存
use(使用)：从工作内存读取到的数据来计算
assign(赋值)：将计算好的值重新赋值到工作内存中
store(存储)：将工作内存数据写入主内存
write(写入)：将sotre过去的变量值赋值给主内存中的变量
lock（锁定）：将主内存变量加锁，标识为线程独占状态
unlock（解锁）：将主内存变量解锁，解锁后其它线程可以锁定该变量

3.2、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

3.3、查看底层汇编指令

下载显示汇编代码的插件放入jdk中
java程序汇编代码查看：-server -Xcomp -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly -XX:CompileCommand=compileonly,*VolatileVisbilityTest.prepareData

3.4、根据汇编代码探究Volatile缓存可见性实现原理

底层实现主要是通过汇编lock前缀指令，它会锁定这块内存区域的缓存（缓存行锁定）并回写到主内存。
IA-32架构软件开发者手册对lock指令的解释：
- 会将当前处理器缓存行的数据立即写回到系统内存。
- 这个写回内存的操作会引起在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效（MESI协议）

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-864yzvcV-1593677912998)(E:\typoraPic\image-20200702101909076.png)]$

3.5、volatile的特性

首先我们要知道并发编程的三大特性：可见性、原子性、有序性
Volatile保证可见性与有序性，但是不保证原子性，保证原子性需要借助synchronized、lock这样的锁机制

Volatile不保证原子性代码测试：

package com.lxf.jmm;


public class VolatileAtomicTest{
    public static volatile int num=0;

   public static void increase(){
       num++;
   }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads=new Thread[10];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i]=new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    increase();
                }
            });
            threads[i].start();
        }
        //等所有线程执行完了再执行main
        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }

        System.out.println("num="+num);
    }
}

结果是<=10000,多次运行就能看到。

分析原因：

num++是一组操作（假设num值初始值为0），里面分为三步原子操作：读取到num值，num值加1，将num值写回缓存，这三步操作都有可能阻塞。假如一个线程读取num值后阻塞，然后另一个线程执行完了：将num赋值为1，然后这个线程继续执行将值仍然返回为1，这就造成了上面的问题。

参考博文:volatile为什么不能保证原子性

Volatile保证有序性测试（禁止指令重排）

package com.lxf.jmm;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class VolatileSerialTest {
    static int x=0,y=0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //存结果的Map集合
        Map<String,Integer> resultMap=new HashMap<>();

        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            x=0;y=0;
            resultMap.clear();
            //第一个线程
            Thread one=new Thread(()->{
                int a=y;
                x=1;
                resultMap.put("a",a);
            });
            //第二个线程
            Thread two=new Thread(()->{
                int b=x;
                y=1;
                resultMap.put("b",b);
            });
            //第一个线程开启
            one.start();
            //第二个线程开启
            two.start();
            //第一个线程插队
            one.join();
            //第二个线程插队
            two.join();

            if(resultMap.get("a")==0&&resultMap.get("b")==0){
                System.out.println("===============a等于0，b也等于0================================");
                System.out.println("a=" + resultMap.get("a") + ",b=" + resultMap.get("b"));
                System.out.println("===============a等于0，b也等于0================================");
            }else if(resultMap.get("a")==1&&resultMap.get("b")==1){
                System.out.println("===============a等于1，b也等于1================================");
                System.out.println("a=" + resultMap.get("a") + ",b=" + resultMap.get("b"));
                System.out.println("===============a等于1，b也等于1================================");
            }else{
                System.out.println("a=" + resultMap.get("a") + ",b=" + resultMap.get("b"));
            }

        }
    }
}