JMM(JAVA内存模型)和volatile

JMM（JAVA内存模型） #

JMM：JAVA内存模型，

不存在的东西，是一个概念，也是一个约定！

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；

线程中分为 工作内存、主内存

定义的8种操作 #

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；
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；

JMM对这8种操作给了相应的规定：

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。就是对变量实施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

volatile #

volatile是 Java 虚拟机提供 轻量级的同步机制。有三个显著的特点：

保证可见性
不保证原子性
禁止指令重排

保证可见性 #

一个线程修改共享变量，另一个线程能读到这个修改的值。

public class JMMDemo01 {

    // 如果不加volatile 程序会死循环
    // 加了volatile是可以保证可见性的
    private volatile static Integer number = 0;

    public static void main(String[] args) {
        //main线程
        //子线程1
        new Thread(()->{
            while (number==0){
            }
        }).start();
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        //子线程2
        new Thread(()->{
            while (number==0){
            }

        }).start();
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        number=1;
        System.out.println(number);
    }
}

如何保证可见性 #

volatile变量修饰的共享变量在进行写操作的时候回多出一行汇编：

0x01a3de1d:movb $0×0，0×1104800（%esi）;0x01a3de24 :lock addl $0×0,(%esp);

Lock前缀的指令在多核处理器下会引发两件事情。

将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
这个写回内存的操作会使其他cpu里缓存了该内存地址的数据无效。

多处理器总线嗅探 #

为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存后再进行操作，但操作不知道何时会写到内存。如果对声明了volatile的变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存缓存一致性协议，

每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己的缓存值是不是过期了，如果处理器发现自己缓存行对应的内存地址呗修改，就会将当前处理器的缓存行设置无效状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据库读到处理器缓存中。

不保证原子性 #

volatile仅能实现变量的修改可见性，不能保证修改的原子性，但是synchronized可以。

/**
 * 不保证原子性
 * number <=2w
 * 
 */
public class VDemo02 {

    private static volatile int number = 0;

    public static void add(){
        number++; 
        //++ 不是一个原子性操作，通过反编译源代码可以发现是2~3个操作
    }

    public static void main(String[] args) {
        //理论上number  === 20000

        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            new Thread(()->{
                for (int j = 1; j <= 1000 ; j++) {
                    add();
                }
            }).start();
        }java

        while (Thread.activeCount()>2){
            //main  gc
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",num="+number);
    }
}

原子类的使用 #

如果不加lock和synchronized ，怎么样保证原子性？

回答：使用 java.util.concurrent.atomic下的原子类。这些类的底层都直接和操作系统挂钩！是在内存中修改值。

public class VDemo02 {

    private static volatile AtomicInteger number = new AtomicInteger();

    public static void add(){
//        number++;
        number.incrementAndGet();  //底层是CAS保证的原子性
    }

    public static void main(String[] args) {
        //理论上number  === 20000

        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            new Thread(()->{
                for (int j = 1; j <= 1000 ; j++) {
                    add();
                }
            }).start();
        }

        while (Thread.activeCount()>2){
            //main  gc
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+",num="+number);
    }
}

禁止指令重排 #

什么是指令重排？

我们写的程序，计算机并不是按照我们自己写的那样去执行的

源代码–>编译器优化重排–>指令并行也可能会重排–>内存系统也会重排–>执行

处理器在进行指令重排的时候，会考虑数据之间的依赖性！

int x=1; //1
int y=2; //2
x=x+5;   //3
y=x*x;   //4

//我们期望的执行顺序是 1_2_3_4  可能执行的顺序会变成2134 1324
//可不可能是 4123？ 不可能的
1234567

可能造成的影响结果：前提：a b x y 这四个值默认都是0

线程A	线程B
x=a	y=b
b=1	a=2

正常的结果： x = 0; y =0

线程A	线程B
b=1	a=2
x=a	y=b

可能在线程A中会出现，先执行b=1,然后再执行x=a；在B线程中可能会出现，先执行a=2，然后执行y=b那么就有可能结果如下：

x=2; y=1

怎么避免指令重排 #

volatile中会加一道内存屏障，这个内存屏障可以保证在这个屏障中的指令是顺序执行的。内存屏障本质就是一个CPU指令。

作用：

保证特定的操作的执行顺序；
可以保证某些变量的内存可见性（利用这些特性，就可以保证volatile实现的可见性）

面试官：那么你知道在哪里用这个内存屏障用得最多呢？单例模式