并发编程专题——第一章（深入理解java内存模型）

说到并发编程，其实有时候觉得，开发中真遇到这些所谓的并发编程，场景多吗，这应该是很多互联网的在职人员，一直在考虑的事情，也一直很想问，但是又不敢问，想学习的同时，网上这些讲的又是乱七八糟，那么本章开始，带你走进并发编程专题在讲专题之前，我想多说两句，可能市面上的开发，对操作系统或者多线程了解的还不是特别深入，也就会经常写一些代码质量不是很高，那么在讲并发之前，我希望可以看看这节，绝对精彩！！

1、什么是JMM模型？

我先用官方的话来描述下，请仔细看：

       Java内存模型(Java Memory Model简称JMM)是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段 和构成数组对象的元素）的访问方式。JVM运行程序的实体是线程，而每个线

程创建时 JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方称为栈空间)，用于存储线程私有的数据，而Java 内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问， 但线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行，首先要

将变量从主内存拷贝的自 己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存，不能直接操作 主内存中的变量，工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝，前面说过，工作内存是每个 线程的私有数据区域，因此不同的线程间无法访

问对方 的工作内存，线程间的通信(传值)必 须通过主内存来完成。

从上面一段文字中我们提出几个关键的点：

• JMM叫做Java内存模型，描述的是一组规则，或者规范，定义程序中各种不同变量的访问方式，比如new关键字创建字段，static修饰的静态字段，以及数组对象等等。
• JVM和JMM不是一个东西，两个完全是没有关联。JVM针对的是内存的管理。JMM是一组规范。
• JMM规定，所有变量都存储在主内存，所有线程都可以去访问。但是线程对变量的操作必须在工作内存中进行。
• 工作内存，和主内存不是一回事。工作内存是每个线程私有的数据区域。

 

所以面试中经常会问到JVM和JMM之间的关系和区别，记住要回答，没有什么关联，JMM是定义程序中变量访问的规范，主要指各个变量在共享和私有数据区域的访问方式，JVM是虚拟机对内存的管理。

既然JMM是描述变量访问规范，那么就有了三大特性：

• 原子性

• 有序性

• 可见性

JMM与Java内存区域唯一相似点就是，都存在共享数据区域和私有数据区域，在JMM中主内存属于共享数据区域，从某个程度上讲应该包括了堆和方法 区，而工作内存数据线程私有数据区域，从某个程度上讲则应该包括程序计数器、虚拟机栈 以及本地方法

栈。

主内存======共享数据区域（堆+方法区）

工作内存======线程私有数据区域（程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈等）

再结合我的灵魂画师的图理解下：

这样，我想大家应该很好的掌握到了JMM的特点和概念性的东西。

什么是主内存？

主内存，主要存储的是Java实例对象，所有线程创建的实例对象都存放在主内存中，不管该实例对象是成员变量还是方法中的本地变量(也称局部变量)，当然也包括了共享的类信息、常量、静态变量。由于是共享数据区域，多条线程对同一个变量进行访问可

能会发生线程安全问题。

什么是工作内存？

主要存储当前方法的所有本地变量信息(工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝)， 每个线程只能访问自己的工作内存，即线程中的本地变量对其它线程是不可见的，就算是两个线程执行的是同一段代码，它们也会各自在自己的工作内存中创建属于当前线

程的本地变量，当然也包括了字节码行号指示器、相关Native方法的信息。注意由于工作内存是每个线程的私有数据，线程间无法相互访问工作内存，因此存储在工作内存的数据不存在线程安全问题。

       根据JVM虚拟机规范，主内存与工作内存的数据存储类型以及操作方式，对于一个实例对象中的成员方法而言，如果方法中包含本地变量是基本数据类型 （boolean,byte,short,char,int,long,float,double），将直接存储在工作内存的帧栈结构中，但倘若本

地变量是引用类型，那么该变量的引用会存储在工作内存的帧栈中，而对象实例将存储在主内存(共享数据区域，堆)中。但对于实例对象的成员变量而言，不管它是基本数据类型或者包装类型(Integer、Double等)还是引用类型，都会被存储到堆区。至于static

变量以及类本身相关信息将会存储在主内存中。需要注意的是，在主内存中的实例对象可以被多线程共享，倘若两个线程同时调用了同一个对象的同一个方法，那么两条线程会将要操作的数据拷贝一份到自己的工作内存中，执行完成操作后才刷新到主内存。

这些文字看起来枯燥无味，但是我还是希望很多基础理念的东西，一定要去静下心去看，理解下。

附上一张图理解下；

其实Java内存模型和硬件内存架构并不完全一致。对于硬件内存来说只有寄存器、缓存内存、主内存的概念，并没有工作内存(线程私有数据区域)和主内存(堆内存)之分，也就是说Java内存模型对内存的划分对硬件内存并没有任何影响，因为JMM只是一种抽

象的概念，是一组规则，并不实际存在，不管是工作内存的数据还是主内存的数据，对于计算机硬件来说都会存储在计算机主内存中，当然也有可能存储到CPU缓存或者寄存器中，因此总体上来说，Java内存模型和计算 机硬件内存架构是一个相互交叉的关

系，是一种抽象概念划分与真实物理硬件的交叉。(注意对于Java内存区域划分也是同样的道理)

我写个类来描述下上面的文字，

initFlag表示共享变量，存在主内存中，不要把这个和JVM的堆搞混淆了，我讲的还是JMM约定，规范，而不同的虚拟机会根据这个规范自己去实现内存的管理策略

此时我开了两个线程，严格来说是3个线程，其中包括main，当然main是来驱动这两个线程执行的。

线程1和线程2，由于都会拿到这个initFlag共享变量，对于JMM规范来说，这两个线程不是直接去操作initFlag这个变量，而是先报保存一份这个变量的副本到自己的工作内存中

线程1这个while循环，判断的是自己的工作内存中的initFlag这个变量的值

线程2这个refresh，是向initFlag中写一个新的值进去，为true，也是一样，先修改自己的工作内存initFlag的值，再写回去主内存，将这个值修改。

线程1休眠500毫秒后执行线程2。

li

与此同时，对于JMM中一个变量如何从主内存拷贝到工作 内存、如何从工作内存同步到主内存之间的实现细节，Java内存模型定义了以下八种操作来完成：

2、数据同步八大原子操作

（1）lock(锁定)：作用于主内存的变量，把一个变量标记为一条线程独占状态

（2）unlock(解锁)：作用于主内存的变量，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

（3）read(读取)：作用于主内存的变量，把一个变量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

（4）load(载入)：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工 作内存的变量副本中

（5）use(使用)：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎

（6）assign(赋值)：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内 存的变量

（7）store(存储)：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存 中，以便随后的write的操作

（8）write(写入)：作用于工作内存的变量，它把store操作从工作内存中的一个变量的值 传送到主内存的变量中

前两个我们先不看，后面讲到Synchronized关键字再详细说，先从2开始

3、可见性案例描述

我给个图可以看下这个上述过程。

那么我运行程序看看结果，你会发现线程1会一直卡在当前的状态出不来，因为啥？因为线程1读到的是工作区域的副本，主内存这个时候的值已经是被刷新成initFlag为true了，不信我再开个线程看看？

开个t3，你会发现，确实被修改了，但是t1线程，一直在循环中，一直没退出来。

原因就是上面规范说的，每个线程只能看到自己私有的东西，别的线程里的东西他是无法得知的；

所以我上面引出了并发编程中的，三个特性，可见性，原子性，有序性。

原子性，其实我们很早就熟悉过，比如synchronized关键字，事务的原子性，一系列的原子操作，都会对这个概念比较熟悉，这个特性我先不说。

来看看可见性，既然每个线程只能看到自己私有的东西，看不到其他线程对共享资源操作的变化，更不可能去跨线程去访问别的线程的资源，除非有一种机制，在某个线程修改了某个变量或者共享资源的同时，你就可以主动通知到我，让我重新去读取主内存

中最新的数据，那么，这个时候，就叫做可见性。

就引出了一个关键字，volatile，这想必应该都听过，我来介绍下：

Volatile——>java的并发轻量级锁机制，是对Synchronized关键字的有意补充，先看看怎么使用

如果我对initFlag这个共享变量加上这个关键字，那么线程2在修改initFlag后，会主动通知线程1，我已经改了这个变量，你自己的丢掉把，重新读取主内存最新的值！！！

对于Volatile底层原理，我会单独起一个章节讲，先用起来再说。

那我加这个关键字和不加这个关键字，在字节码上有什么区别呢？

右键——External Tool——>show byte code

如果不知道idea怎么看反编译后的class文件，参考我的博客：https://blog.csdn.net/qq_31821733/article/details/117198235

解析后的字节码是这样的：加了volatile关键字，多了个ACC_VOLATILE；

所以加了Volatile关键字后，线程1马上就可以看到线程2的更改并及时通知！

那这个时候我会思考一个问题，如果我不加这个关键字，我在线程1中写行代码，count++；

线程1会不会看到线程2的修改呢？

比如这样，运行下，结果是看不到。。很明显你没有通知到线程1

但是我这个时候int改成Integer呢？我靠这是什么现象？？int不行，Integer可以，Integer是int的包装类，仅此而已。。。

那我一旦给这个count修饰Volatile后呢？很奇怪，为什么我给counter加了这个关键字，线程2会通知线程1，initFlag的这个改变呢？

这些都是很玄学的情况，而我为此去寻求了答案，甚至去StackOverFlow问了下，众说纷纭，但是我最终理解了一个东西，是Volatile的本质！！

叫做及时可见，意思是说，如果你不加Volatile关键字，其他线程不会立马看到，但是，也一定会在最终看到，而Volatile，解决了及时可见性！！！！

而不加的时候，线程能看到的时机，你确定不了。

因为规范是死的，实现是活的，阿里有虚拟机，ibm有自己实现的虚拟机，华为也有，谷歌也有，而这些虚拟机都是实现了这些规范，内部很多不一样的细节，肯定是灵活的。

这些语义，不会去描述多线程的程序该如何执行，而是描述多线程程序允许表现出的行为。任何执行策略，只要产生的是允许的行为，那他就是一个可接受的执行策略。——来自JSR133中文规范

所以你不写Volatile，线程1，有一天也能看到initFlag的变化。

可是 为什么while空循环中，会必须要加Volatile才可以生效呢？因为空循环，在底层硬件中，执行具有最高的优先级，拿到时间片后基本不太可能释放了，内部没有任何代码，根本不需要停下来，而你要在while循环体内写点东西，

就会很大概率出现线程的中断，上下文切换。

所以上面的一些奇怪的现象，很有可能是这些变量，在同一个缓存行中，比如counter的变量和initFlag变量，在一个缓存行中，而其中只要一个变量失效了，会通知重新读，那么这个时候会顺带把缓存行中其他的变量最新值，也从主内存中读过来

但是这个没法证明！！

看下一个问题：

4、Volatile可以保证我们的原子性吗？

来看个案例，我计数，10*1000结果应该是10000次

但是结果并不是，结合上面的说法，每个线程在往主内存写的时候，是没有告诉别的线程嘛，循环10个线程，每个线程拿到的值修改后，都没有通知其他线程，所以导致每个线程拿到的值都不是主内存的最新的值

那么我加个volatile关键字试试？

加了Volatile后，哎，为什么还不是10000？难道上面讲错了？原则上任意一方改了东西后，会通知另一方啊，这读者讲错了吗？？你说count++这就一行代码，难道不是原子的吗？

实际上，并发的三大特性中，原子性，volatile解决不了；

count++你看起来是一行代码，实际上在底层中，是执行了3步，

第一步：线程读取count=0

第二步：线程count = count + 1

第三步：写回主内存，并通知其他的线程。

而每个线程是基于时间片去轮询的，如果刚刚好，假设线程1拿到cpu，执行到count=0之后，此时中断了，这个时候线程1失去了cpu的使用权，然后当拿回来cpu的时候，时间片此时用完了。

此时cpu被线程2拿走去执行了，而线程2此时假如开始读也是count=0，正常走完，然后通知线程1，count刷新了你去读把，而此时线程1要循环1000次，本来要加到1000的，但是因为第一次刚好读到了count=0，于是中断，等恢复现场的时候，发现时间片用

完了，没办法，本次循环就被浪费了，再加上有人通知我要拿新的值，那我线程1接下来的count = count+1也要丢弃了。于是没能把count+1写回内存。

所以就出现了上述的情况。不要觉得没有这么巧的事情，如果你的服务器是面向toC的，服务器可以并发好几千个线程，每一步都会发现线程去抢夺cpu资源的情况。

所以count++中三步，每一步是原子的，但是在整体中，他不是原子的，所以volatile是没法保证原子性的。

如果你想要保证原子性，就加synchronized关键字，这个比较简单我就不多说了，关于原子性我后面会单独讲的！！！

而且Volatile只能修饰成员变量，开发中你不可能说原子性的代码只有一行count++，肯定是很多行代码，所以这也就论证了synchronized可以保证原子，而volatile不可以

 

5、有序性案例

有序性是相对理解比较复杂的，我这里也说下

在我们很早的一个认知里，cpu在执行代码过程中，是有序执行，按照顺序的执行的。

时间上具有优先级，原则上写在上面的代码比写在下面的代码具有优先级。

但是在程序世界里，他不一定是这么执行的，很多情况，会对你的指令进行重排！！！！

cpu会认为，你的程序在指令重排后，执行的效率会更好更快！！而cpu会把你的指令重排，但是不会影响你的结果，要是影响你的结果，那就基本GG了。

来看一个案例，有四个变量a b x y；

我开了一个循环，两个线程，分别对a=1，x=b； b=1，y=a

如果我们不考虑指令重排我们看看x和y有哪些可能！！一共只有3种结果，你不管怎么倒腾。

但是一旦出现了指令重排，就会是这样的情况

指令已经颠倒！！然后我们执行下程序，看运气，运气好我们很快可以看到。

代码贴出来：

public class MemoryBarrier {

    private static int x = 0, y = 0, a = 0, b = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        for (; ; ) {
            i++;
            x = 0;
            y = 0;
            a = 0;
            b = 0;
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                shortWait(10000);
                a = 1;
                x = b;
            });

            Thread t2 = new Thread(() -> {
                b = 1;
                y = a;
            });

            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();

            String result = "第" + i + "次 (" + x + "," + y + ")";
            if (x == 0 && y == 0) {
                System.out.println(result);
                break;
            } else {
                System.out.println(result);
            }
        }
    }

    /**
     * 等待一段时间，时间单位纳秒
     *
     * @param interval
     */
    public static void shortWait(long interval) {
        long start = System.nanoTime();
        long end;
        do {
            end = System.nanoTime();
        } while (start + interval >= end);
    }

}

的确发生了指令重排，那么指令重排，volatile是可以解决的

volatile关键字另一个作用就是禁止指令重排优化，从而避免多线程环境下程序出现乱 序执行的现象，关于指令重排优化前面已详细分析过，这里主要简单说明一下volatile是如 何实现禁止指令重排优化的。先了解一个概念，内存屏障(Memory Barrier）。

所以jvm最终底层会调用硬件方面的内存屏障策略。

在JVM中提供了4种内存屏障的指令

第一个LoadLoad，表示Load1和Load2两个读指令之间，加了个LoadLoad指令，表示这两个读不可以进行重排，不可以把load2放在load1的前面去执行

其他的我就不多解释，和第一个一样，所以你的变量加了volatile关键字后，cpu在底层执行你的指令中，就会禁止将你的程序读，写指令，进行优化重排！！！因为会找到你的读写指令，在其中加上内存屏障指令。

用官方的话来说：内存屏障，又称内存栅栏，是一个CPU指令，它的作用有两个，一是保证特定操作的执行顺序，二是保证某些变量的内存可见性（利用该特性实现volatile的内存可见性）。由于编译器和处理器都能执行指令重排优化。

如果在指令间插入一条Memory Barrier则会告诉编译器和CPU，不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序，也就是说通过插入内存屏障，就是上面说的4中指令，禁止在内存屏障前后的指令执行重排序优化。

Memory Barrier的另外一个作用是强制刷出各种CPU的缓存数据，因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。 总之，volatile变量正是通过内存屏障实现其在内存中的语义，即可见性和禁止重排优化。

下面看一个非常典型的禁止重排优化的例子DCL，如下：

public class DoubleCheckLock {
    private static DoubleCheckLock instance;

    private DoubleCheckLock() {
    }

    public static DoubleCheckLock getInstance() {
        //第一次检测
        if (instance == null) {
            //同步
            synchronized (DoubleCheckLock.class) {
                if (instance == null) {
                    //多线程环境下可能会出现问题的地方
                    instance = new DoubleCheckLock();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这段代码在单线程环境下并没有什么问题，但如果在多线程环境下就可以出现线程安全问题，你可能觉得我在和你吹牛逼，说你不是加了锁吗，怎么还会有问题吗？原因在于某一个线程执行到第一次检测，读取到的instance不为null时，instance的引用对象可

能没有完成初始化！！！

我们知道new创建对象，你看起来是一行代码intance = new DoubleCheckLock();

这一步对象的创建其实分为几步去做的。

• memory = allocate()：//分配对象内存空间
• init(memory)：//初始化对象
• instance = memory：//设置instance指向刚分配的地址，此时instance!=null

但是一旦发生了指令重排！

• memory = allocate()：//分配对象内存空间
• instance = memory：//设置instance指向刚分配的地址，此时instance!=null，但是对象还没初始化完成！
• init(memory)：//初始化对象

由于步骤2和步骤3不存在数据依赖关系，而且无论重排前还是重排后程序的执行结果在单线程中并没有改变，都是创建对象的，结果都是拿到一个对象；

因此这种重排优化是允许的。但是指令重排只会保证串行语义的执行的一致性(单线程)，但并不会关心多线程间的语义一致性。所以当一条线程访问instance不为null时，由于instance实例未必已经初始化完成，如果你此时代码里要调用实例里面的方法，

那无疑是有问题的，因为你还没初始化对象，你只是给了个引用指向，对象里啥都没有；

也就造成了线程安全问题。那么该如何解决呢，很简单，我们使用volatile禁止instance变量被执行指令重排优化即可。就中规中矩来对象创建。

这样的情况会在用户量大的时候，以及比如你的服务挂了然后重启的一瞬间，所有流量打上来，这个时候懒汉式DCL的方式，就会出现极大的问题！！！

所以加了volatile关键字，就可以防止对象创建过程中指令重排！！！

本章我就讲了这些关键点，和面试中会问到的一些知识点，下一章我会说关于——JMM-CPU缓存一致性协议MESI，欢迎提出宝贵意见！！