JVM_12 JMM内存模型
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1. java 内存模型(JMM)
JMM 即 Java Memory Model，它定义了主存（共享内存）、工作内存（线程私有）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。JMM 体现在以下几个方面：
- 原子性： 保证指令不会受到线程上下文切换的影响。
- 可见性：保证指令不会受 cpu 缓存的影响。
- 有序性：保证指令不会受 cpu 指令并行优化的影响。
简单的说，JMM 定义了一套在多线程读写共享数据时（成员变量、数组）时，对数据的可见性、有序 性、和原子性的规则和保障。
1.1 原子性
原子性在学习线程时讲过，下面来个例子简单回顾一下：
问题提出，两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？
问题分析
以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作。
例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 加法
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而对应i-- 也是类似：
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 减法
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
如图：
如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：
// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=1
iconst_1 // 线程1-准备常量1
isub // 线程1-自减 线程内i=0
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=0
但多线程下这 8 行代码可能交错运行（为什么会交错？思考一下）： 出现负数的情况：
// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
iconst_1 // 线程2-准备常量1
isub // 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1
出现正数的情况：
// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
iconst_1 // 线程2-准备常量1
isub // 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
解决方法
synchronized（同步关键字）:
synchronized( 对象 ) {
要作为原子操作代码
}
用 synchronized 解决并发问题：
static int i = 0;
static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 5000; j++) {
synchronized (obj) {
i++;
}
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 5000; j++) {
synchronized (obj) {
i--;
}
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
如何理解呢：你可以把 obj 想象成一个房间，线程 t1，t2 想象成两个人。
当线程 t1 执行到 synchronized(obj) 时就好比 t1 进入了这个房间，并反手锁住了门，在门内执行 count++ 代码。
这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(obj) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待。
当 t1 执行完synchronized{} 块内的代码，这时候才会解开门上的锁，从 obj 房间出来。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，反锁住门，执行它的 count-- 代码。
注意：上例中 t1 和 t2 线程必须用
synchronized锁住同一个 obj 对象，如果 t1 锁住的是 m1 对 象，t2 锁住的是 m2 对象，就好比两个人分别进入了两个不同的房间，没法起到同步的效果。
1.2 可见性
退不出的循环
先来看一个现象，main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致了 t 线程无法停止：
static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(()->{
while(run){
// ....
}
});
t.start();
Thread.sleep(1000);
run = false; // 线程t不会如预想的停下来
}
首先 t 线程运行，然后过一秒，主线程设置 run 的值为 false，想让 t 线程停止下来，但是 t 线程并没有停！
为什么呢？来图解分析一下：
-
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。
-
.因为 t 线程要频繁从主内存中读取 run 的值，JIT 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
-
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
volatile（易变关键字）:
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。
public static volatile boolean run = true; // 保证内存的可见性
可见性
前面例子体现的实际就是可见性，它保证的是在多个线程之间，一个线程对 volatile 变量的修改对另一 个线程可见， 不能保证原子性，仅用在一个写线程，多个读线程的情况： 上例从字节码理解是这样的：
getstatic run // 线程 t 获取 run true
getstatic run // 线程 t 获取 run true
getstatic run // 线程 t 获取 run true
getstatic run // 线程 t 获取 run true
putstatic run // 线程 main 修改 run 为 false， 仅此一次
getstatic run // 线程 t 获取 run false
比较一下之前我们将线程安全时举的例子：两个线程一个i++ 一个 i-- ，只能保证看到最新值，不能解 决指令交错
// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
iconst_1 // 线程2-准备常量1
isub // 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i
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，性能相对更低如果在前面示例的死循环中加入
System.out.println()会发现即使不加volatile修饰符，线程 t 也 能正确看到对 run 变量的修改了，想一想为什么？(因为println()中有synchronized关键字加锁，可以保证原子性与可见性，它是 PrintStream 类的方法 )
1.3 有序性
诡异的结果(指令重排)
首先看一个例子：
// 可以重排的例子
int a = 10;
int b = 20;
System.out.println( a + b );
// 不能重排的例子
int a = 10;
int b = a - 5;
指令重排简单来说可以，在程序结果不受影响的前提下，可以调整指令语句执行顺序。多线程下指令重排会影响正确性。
多线程下指令重排问题
再分析下面的代码：
int num = 0;
// volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排 volatile boolean ready = false; 可以防止变量之前的代码被重排序
boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
if(ready) {
r.r1 = num + num;
}
else {
r.r1 = 1;
}
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) {
num = 2;
ready = true;
}
I_Result 是一个对象，有一个属性 r1 用来保存结果，问，可能的结果有几种？
在多线程环境下，以上的代码 r1 的值有三种情况：
-
情况1：线程1 先执行，这时
ready = false，所以进入 else 分支结果为 1 -
情况2：线程2 先执行
num = 2，但没来得及执行ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结 果为1 -
情况3：线程 2 先执行，但是发送了指令重排，
num = 2与ready = true这两行代码语序发生装换，ready = true; // 前 num = 2; // 后然后执行 ready = true 后，线程 1 运行了，那么 r1 的结果是为 0。
-
情况4：结果还有可能是 0
- 这种现象叫做指令重排，是 JIT 编译器在运行时的一些优化，这个现象需要通过大量测试才能偶尔遇见！
解决方法
volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排，禁止的是加volatile 关键字变量之前的代码重排序
volatile 原理
- volatile 的底层实现原理是内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）
- 对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障
- 对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障
如何保证可见性?
- 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 是被 volatile 修饰的，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是被 volatile 修饰的，读取值带读屏障
if(ready) {
r.r1 = num + num;
} else {
r.r1 = 1;
}
}
如图所示：
如何保证有序性?
- 写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
public void actor2(I_Result r) {
num = 2;
ready = true; // ready 是被 volatile 修饰的，赋值带写屏障
// 写屏障
}
- 读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前
public void actor1(I_Result r) {
// 读屏障
// ready 是被 volatile 修饰的，读取值带读屏障
if(ready) {
r.r1 = num + num;
} else {
r.r1 = 1;
}
}
注意：
-
volatile不能解决指令交错 -
写屏障仅仅是保证之后的读能够读到最新的结果，但不能保证其它线程的读跑到它前面去
-
而有序性的保证也只是保证了本线程内相关代码不被重排序
2. CAS与原子类
- 参考：Java并发基石CAS原理以及ABA问题
这里需要总结一下，CAS就是Java中的乐观锁，synchronized关键字就是Java中的悲观锁！
- CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系， 我吃亏点再重试呗。
- synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁 你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
- 原子操作类：juc（java.util.concurrent）中提供了原子操作类，可以提供线程安全的操作，例如：AtomicInteger、 AtomicBoolean等，它们底层就是采用 CAS 技术 + volatile 来实现的。
如果对大家有帮助，请三连支持一下！
