深入理解Java内存模型：共享变量的可见性和有序性-优快云博客

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🎣 开篇故事：消失的鱼罐头
工厂生产线要生产100个鱼罐头，流程是：
1. 装鱼 → 2. 封盖 → 3. 贴标签
但工人们发现：有时罐头还没装鱼就贴了标签！
这就是代码世界的 “指令重排序” 问题！

为什么要有Java内存模型？
Java为了屏蔽硬件和操作系统访问内存的各种差异，提出了「Java内存模型」的规范，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能得到一致效果。

JMM即Java Memory Model，它定义了主存、工作内存抽象概念，底层对应着CPU寄存器、缓存、硬件内存、CPU指令优化等。

🧠 内存三难题（新手必懂的三个核心问题

原子性-保证指令不会受到线程上下文切换的影响，如转账时ATM故障，钱扣了但没到账
可见性-保证指令不会受cpu缓存的影响，如妈妈喊你吃饭，你戴着耳机没听见
有序性-保证指令不会受cpu指令并行优化的影响，如先贴标签后装鱼的错误罐头

1.可见性

🔍 可见性破案：永远循环的线程

@Slf4j
public class Test1 {
    static boolean run = true;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while (run) {
              //
            }
        }, "t1");
        t1.start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        run = false;
        log.info("run stop");
    }
}

为什么停不下来？
👂 线程有自己的“耳朵”（工作内存）
📻 需要volatile大喇叭广播主内存的变化！

工作流程
在这里插入图片描述
1.初始状态，t 线程刚开始从主内存读取了run的值到工作内存。
2.因为 t线程要频繁从主内存中读取run的值，JITI 编译器会将run的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中，减少对主存中run的访问，提高效率
3.1秒之后，main 线程修改了run的值，并同步至主存，而t是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量的值，结果永远是旧值

解决方法

共享变量加volatile关键字
它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作volatile变量都是直接操作主存

注意：synchronized语句块既可以保证代码块的原子性，也同时保证代码块内变量的可见性。但缺点是synchronized是属于重量级操作，性能相对更低

2. 有序性

JVM可以在不影响程序正确性的前提下调整指令的执行顺序，这种特性称为指令重排。在多线程环境中，指令重排可能导致错误的结果。

内存屏障：是一种屏障指令，它使得CPU或编译器对屏障指令的前和后所发出的内存操作执行一个排序的约束。也叫内存栅栏或栅栏指令

内存屏障能干嘛？

阻止屏障两边的指令重排序
写数据时加入屏障，强制将线程私有工作内存的数据刷回主物理内存
读数据时加入屏障，线程私有工作内存的数据失效，重新到主物理内存中获取最新的数据

volatile的实现原理

volatile的底层实现原理是内存屏障，Memory Barrier (Memory Fence)。它通过以下方式保证可见性和有序性：

对 volatile 变量的写操作后会加入写屏障，确保之前的操作在写入主存之前完成。
对 volatile 变量的读操作前会加入读屏障，确保读取的是主存中的最新数据。

如何保证可见性？
可见性是指保证不同线程对某个变量完成操作后结果及时可见，即该共享变量一旦改变所有线程都可见。

写屏障(sfence)保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中

public void actor2(I_Result r) {
   num = 2;
   ready = true; // ready 是volatile 赋值带写屏障
   //写屏障
}

而读屏障(lfence) 保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据

public void actor1(I_ Result r) {
    //读屏障
    // ready是volatile 读取值带读屏障
    if(ready) {
    } else{
            
    }  
 }

如何保证有序性?

volatile写之前的操作，都禁止重排序到volatile之后
volatile读之后的操作，都禁止重排序到volatile 之前
volatile写之后volatile读，禁止重排序

如何正确使用volatile？

适用于状态标志和简单的读写操作。
不适合用于复合操作（如自增等）。

先行发生（Happens-Before）原则

JMM本质上包含一些规则，其中就有Happens-Before原则。
Happens-Before 规则规定了对共享变量的写操作对其他线程的读操作可见。理解这些规则对于编写并发安全的程序至关重要。

主要规则：

次序规则：一个线程内，按照代码顺序执行的操作先行发生于后面的操作。
锁定规则：一个线程的 unlock 操作先行发生于后续对同一锁的 lock 操作。
volatile 变量规则：对一个 volatile 变量的写操作先行发生于后面对该变量的读操作，前面的写对后面的读是可见的。
传递规则：如果操作 A 先行发生于 B，且 B 先行发生于 C，则 A 先行发生于 C。
线程启动规则(Thread Start Rule)：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作
线程中断规则(Thread Interruption Rule)：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生；可以通过Thread interrupted()检测到是否发生中断，也就是说你要先调用interrupt()方法设置过中断标志位，我才能检测到中断发生
线程终止规则(Thread Termination Rule)：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过isAlive()等手段检测线程是否已经终止执行。
对象终结规则(FinalizerRule)：一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的finalize()方法的开始。说人话：对象没有完成初始化之前，是不能调用finalized()方法的。