JMM如何解决原子性&可见性&有序性问题

JMM如何解决原子性&可见性&有序性问题
转载来源：https://blog.csdn.net/qq_35508033/article/details/106109475

原子性

指的是一个操作是不可中断的，即使是在多线程环境下，一个操作一旦开始就不会被其他线程影响。
在java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作有点要注意的是，对于32位系统的来说，long类型数据和double类型数据(对于基本数据类型，byte,short,int,float,boolean,char读写是原子操作)，它们的读写并非原子性的，也就是说如果存在两条线程同时对long类型或者double类型的数据进行读写是存在相互干扰的
因为对于32位虚拟机来说，每次原子读写是32位的，而long和double则是64位的存储单元，这样会 导致一个线程在写时，操作完前32位的原子操作后，轮到B线程读取时，恰好只读取到了后32位的数据，这样可能会读取到一个既非原值又不是线程修改值的变量，它可能是“半个变量”的数值，即64位数据被两个线程分成了两次读取。
但也不必太担心，因为读取到“半个变量”的情况比较少见，至少在目前的商用的虚拟机中，几乎都把64位的数据的读写操作作为原子操作来执行，因此对于这个问题不必太在意，知道这么回事即可。

可见性

可见性指的是当一个线程修改了某个共享变量的 值，其他线程是否能够马上得知这个修改的值。对于串行程序来说，可见性是不存在的，因为 我们在任何一个操作中修改了某个变量的值，后续的操作中都能读取这个变量值，并且是修改 过的新值。
但在多线程环境中可就不一定了，由于线程对共享变量的操作都是线程 拷贝到各自的工作内存进行操作后才写回到主内存中的，这就可能存在一个线程A修改了共享 变量x的值，还未写回主内存时，另外一个线程B又对主内存中同一个共享变量x进行操作，但 此时A线程工作内存中共享变量x对线程B来说并不可见，这种工作内存与主内存同步延迟现象 就造成了可见性问题

有序性

对于多线程环境，可能出现乱序现 象，因为程序编译成机器码指令后可能会出现指令重排现象，重排后的指令与原指令的顺序未必一致

JMM如何解决原子性&可见性&有序性问题

原子性问题

除了JVM自身提供的对基本数据类型读写操作的原子性外，可以通过synchronized和Lock实现原子性。因为synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程访问该代码块。

可见性问题

volatile关键字保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值立即被其他的线程看到，即修改的值立即更新到主存中，当其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。synchronized和Lock也可以保证可见性，因为它们可以保证任一时刻只有一个线程能访问共享资源，并在其释放锁之前将修改的变量刷新到内存中。

有序性问题

在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”，另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。
Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为happens-before 原则。
如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

指令重排序

java语言规范规定JVM线程内部维持顺序化语义。即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顺序不一致，此过程叫指令的重排序。
指令重排序的意义是什么？
JVM能根据处理器特性（CPU多级缓存系统、多核处理器等）适当的对机器指令进行重排序，使机器指令能更符合CPU的执行特性，最大限度的发挥机器性能。
下图为从源码到最终执行的指令序列示意图

源代码

1:编辑器重排优化

2:指令级并行重排序

3:内存系统重排序

最终执行指令序列

as-if-serial语义

as-if-serial语义的意思是：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），（单线程）程序的执行结果不能被改变。
编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。
为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果。但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序。

public class AsIfSerialSample {
 
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * as-if-serial语义的意思是：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），（单线程）
         * 程序的执行结果不能被改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。
         *
         * 以下例子当中1、2步存在指令重排行为，但是1、2不能与第三步指令重排
         * 也就是第3步不可能先于1、2步执行，否则将改变程序的执行结果
         */
        double p = 3.14; //1
        double r = 1.0; //2
        double area = p * r * r; //3计算面积
    }
 
}

happens-before

原则从JDK 5开始，Java使用新的JSR-133内存模型，提供了 happens-before 原则来辅助保证程序执行的原子性、可见性以及有序性的问题，它是判断数 据是否存在竞争、线程是否安全的依据，happens-before 原则内容如下

1. 程序顺序原则，即在一个线程内必须保证语义串行性，也就是说按照代码顺序执行。
2. 锁规则 解锁(unlock)操作必然发生在后续的同一个锁的加锁(lock)之前，也就是说， 如果对于一个锁解锁后，再加锁，那么加锁的动作必须在解锁动作之后(同一个锁)。
3. volatile规则 volatile变量的写，先发生于读，这保证了volatile变量的可见性，简单 的理解就是，volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中读该变量的值，而当 该变量发生变化时，又会强迫将最新的值刷新到主内存，任何时刻，不同的线程总是能 够看到该变量的最新值。
4. 线程启动规则 线程的start()方法先于它的每一个动作，即如果线程A在执行线程B的 start方法之前修改了共享变量的值，那么当线程B执行start方法时，线程A对共享变量 的修改对线程B可见
5. 传递性 A先于B ，B先于C 那么A必然先于C
6. 线程终止规则 线程的所有操作先于线程的终结，Thread.join()方法的作用是等待当前 执行的线程终止。假设在线程B终止之前，修改了共享变量，线程A从线程B的join方法 成功返回后，线程B对共享变量的修改将对线程A可见。
7. 线程中断规则 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()方法检测线程是否中断。
8. 对象终结规则 对象的构造函数执行，结束先于finalize()方法