11、JMM和Volatile

面试中：请你谈谈对Volatile的理解：

Volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制

• 保证可见性（和JMM挂钩）
• 不保证原子性
• 禁止指令重排

什么是JMM：

JMM即为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，内存的访问逻辑有一定的差异，结果就是当你的代码在某个系统环境下运行良好，并且线程安全，但是换了个系统就出现各种问题。Java内存模型，就是为了屏蔽系统和硬件的差异，让一套代码在不同平台下能到达相同的访问结果。JMM从java 5开始的JSR-133发布后，已经成熟和完善起来。

关于JMM的一些同步约定：

• 线程解锁前，必须把共享变量立刻刷回主内存中
• 线程加锁前，必须读取主内存中的最新值到工作内存中
• 加锁和解锁是同一把锁

内存划分:

JMM规定了内存主要划分为主内存和工作内存两种。此处的主内存和工作内存跟JVM内存划分（堆、栈、方法区）是在不同的层次上进行的，如果非要对应起来，主内存对应的是Java堆中的对象实例部分，工作内存对应的是栈中的部分区域，从更底层的来说，主内存对应的是硬件的物理内存，工作内存对应的是寄存器和高速缓存。

内存交互8种操作：

图片.png

• 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
• 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

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

问题：

图片.png

代码如下：

public class TestJMM {

    private static int num = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        new Thread(()->{  //线程t1对主内存的变化不知道
            while (num == 0){

            }
        },"t1").start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        num = 1;
        System.out.println(num);

    }
}

程序进入死循环；可以发现就算main线程将num的值改成了1，线程t1不会跳出死循环（即不能发现num被改变了）

---

于是main线程必须能够知道主线程的num发生了变化，才能避免上述问题：
这就是Volatile的第一个特点——保证可见性

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Volatile

• 保证可见性

在变量num前添加关键字volatile

public class TestJMM {

    //不加volatile程序就会死循环
    //加volatile可以保证可见性
    private volatile static int num = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        new Thread(()->{
            while (num == 0){

            }
        },"t1").start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);

        num = 1;
        System.out.println(num);

    }
}

可以发现当main线程将num的值改为1，t1线程立刻停止

• 不保证原子性

原子性：不可分割
线程A在执行任务的时候，不能被打扰的，也不能被分割。要么同时成功，要么同时失败。

//不保证原子性
public class TestVolatile {
    //volatile不保证原子性
    private volatile static int num = 0;
    
    public static void add(){
        num++;
    } 
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    add();
                }
            }).start();
        }

        //下面的while能够执行说明上面的跑完了
        while (Thread.activeCount()>2){ //main 和 gc
            Thread.yield();//线程礼让
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"->"+num);
    }
}

结果：

main->19459

当然使用lock或者synchronized可以解决，如果不用lock或者synchronized怎么保证原子性

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使用原子类来解决volatile不能保证原子性的问题
所在包：java.util.concurrent.atomic

图片.png

public class TestVolatile {

    //原子类的Integer
    private volatile static AtomicInteger num = new AtomicInteger();//创建一个新的AtomicInteger，初始值为 0 。
    
    public static void add(){
        num.getAndIncrement(); //AtomicInteger的+1方法
    } 
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    add();
                }
            }).start();
        }

        //下面的while能够执行说明上面的跑完了
        while (Thread.activeCount()>2){ //main 和 gc
            Thread.yield();//线程礼让
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"->"+num);
    }
}

结果：

main->20000

所以不通过lock或者synchronized，而通过原子类解决了volatile的不保证原子性问题
并且原子类的底层都直接和操作系统挂钩（效率极高），在内存中修改值！Unsafe类(原子类的底层)是一个很特殊的存在

• 指令重排

什么是指令重排：写的程序，计算机并不一定按照写的顺序去执行。
源代码—>编译器优化的重排—>指令并行也可能重排—>内存系统也会重排—>执行

图片.png

处理器在进行指令重排的时候，会考虑数据之间的依赖性。

指令重排的例子：

图片.png

volatile可以避免指令重排
《深入理解Java虚拟机》中有一句话：“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”，lock前缀指令生成一个内存屏障。保证重排序后的指令不会越过内存屏障， 即volatile之前的代码只会在volatile之前执行，volatile之后的代码只会在volatile之后执行。
内存屏障：CPU指令。作用：

• 保证特定操作的执行顺序
• 可以保证某些变量的内存可见性。（这个作用实现了volatile的可见性）

volatile是可以保持可见性。不能保证原子性，由于内存屏障，可以保证避免指令重排现象的产生

volatile的内存屏障（避免指令重排序）特性在单例模式中也有应用；见下章笔记