【JVM】JMM内存模型

JVM-JMM内存模型

本文章参考：黑马程序员JVM

• 很多人将【java 内存结构】与【java 内存模型】傻傻分不清，【java 内存模型】是 Java Memory Model（JMM）的意思。
• 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. 原子性

1-1 问题解析

提出问题：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？

public class Demo1 {
     
    static int i = 0;

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

        Thread t1 = new Thread(() -> {
     
            for (int j = 0; j < 50000; j++) {
     
                i++;
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
     
            for (int j = 0; j < 50000; j++) {
     
                i--;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);

    }
}

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

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和线程内存中进行数据交换：

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

1-2 解决方法

（1）synchronized（同步关键字）

语法：

synchronized( 对象 ) {
     
    要作为原子操作代码
}

用 synchronized 解决并发问题：

public class Demo1 {
     
    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 < 50000; j++) {
     
                synchronized (obj) {
     
                    i++;
                }

            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
     
            for (int j = 0; j < 50000; j++) {
     
                synchronized (obj) {
     
                    i--;
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);//输出为0
    }
}

为什么需要这里的 obj 对象呢？

我们可以这样理解：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。

怎么从JVM角度理解呢？（这里引用《Java并发编程的艺术》里的一段话）

从JVM规范中可以看到Synchonized在JVM里的实现原理，JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter 和monitorexit指令实现的。 monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter 指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。

2.可见性

2-1 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
}

为什么会这样？

1. 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。

   

2. 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

3. 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

   

2-2 解决办法

（1）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，保证了共享变量的可见性，但不能保证原子性

public class Demo1 {
     
    volatile 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
    }

}

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？

进入println源码：

public void println(int x) {
     
    synchronized (this) {
     
        print(x);
        newLine();
    }
}

可以看出加了synchronized，保证了每次run变量都会从主存中获取

3.有序性

3-1 诡异的结果

看下面一个栗子：

int num = 0;
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;
}

看到这里可能聪明的小伙伴会想到有下面三种情况：

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 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）

但其实还有可能为0哦！

有可能还是：线程 2 执行 ready=true ，切换到线程1 ，进入if分支，相加为0，在切回线程 2 执行 num=2

这种现象就是指令重排

3-2 解决方法

volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排

@JCStressTest
@Outcome(id = {
     "1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!")
@State
public class ConcurrencyTest {
     
    int num = 0;
    volatile boolean ready = false;//可以禁用指令重排
    @Actor
    public void actor1(I_Result r) {
     
        if(ready) {
     
            r.r1 = num + num;
        } else {
     
            r.r1 = 1;
        }
    }
    @Actor
    public void actor2(I_Result r) {
     
        num = 2;
        ready = true;
    }
}

3-3 有序性理解

同一线程内，JVM会在不影响正确性的前提下，可以调整语句的执行顺序，看看下面的代码：

static int i;
static int j;
// 在某个线程内执行如下赋值操作
i = ...; // 较为耗时的操作
j = ...;

可以看到，至于是先执行 i 还是 先执行 j ，对最终的结果不会产生影响。所以，上面代码真正执行时， 既可以是

i = ...; // 较为耗时的操作
j = ...;

也可以是

j = ...;
i = ...; // 较为耗时的操作

这种特性称之为指令重排，多线程下指令重排会影响正确性，例如著名的 double-checked locking 模式实现单例

public class Singleton {
     
    private Singleton() {
     
    }

    private static Singleton INSTANCE = null;

    public static Singleton getInstance() {
     
        //实例没创建，才会进入内部的 synchronized 代码块
        if (INSTANCE == null) {
     
            //可能第一个线程在synchronized 代码块还没创建完对象时，第二个线程已经到了这一步，所以里面还需要加上判断
            synchronized (Singleton.class) {
     
                //也许有其他线程已经创建实例，所以再判断一次
                if (INSTANCE == null) {
     
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

以上的实现特点是：

• 懒惰实例化
• 首次使用 getInstance() 才使用 synchronized 加锁，后续使用时无需加锁

上面的代码看似已经很完美了，但是在多线程环境下还是会有指令重排问题！

INSTANCE = new Singleton() 对应的字节码为：

0: new #2 // class cn/itcast/jvm/t4/Singleton
3: dup
4: invokespecial #3 // Method "":()V
7: putstatic #4 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/jvm/t4/Singleton;

其中4 7 两步顺序不是固定的，也许 jvm 会优化为：先将引用地址赋值给 INSTANCE 变量后，再执行构造方法，如果两个线程 t1,t2 按如下时间顺序执行：

时间1 t1 线程执行到 INSTANCE = new Singleton();
时间2 t1 线程分配空间，为Singleton对象生成了引用地址（0 处）
时间3 t1 线程将引用地址赋值给 INSTANCE，这时 INSTANCE != null（7 处）
时间4 t2 线程进入getInstance() 方法，发现 INSTANCE != null（synchronized块外），直接
返回 INSTANCE
时间5 t1 线程执行Singleton的构造方法（4 处）

这时 t1 还未完全将构造方法执行完毕，如果在构造方法中要执行很多初始化操作，那么 t2 拿到的是将 是一个未初始化完毕的单例

对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可，可以禁用指令重排，但要注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才 会真正有效

3-4 happens-before

happens-before 规定了哪些写操作对其它线程的读操作可见，它是可见性与有序性的一套规则总结，抛开以下 happens-before 规则，JMM 并不能保证一个线程对共享变量的写，对于其它线程对该共享变量的读可见

• 线程解锁 m 之前对变量的写，对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见

  static int x;
  static Object m = new Object();
  new Thread(()->{
         
      synchronized(m) {
         
          x = 10;
      }
  },"t1").start();
  new Thread(()->{
         
      synchronized(m) {
         
          System.out.println(x);
      }
  },"t2").start()
  

• 线程对 volatile 变量的写，对接下来其它线程对该变量的读可见

  volatile static int x;
  new Thread(()->{
         
      x = 10;
  },"t1").start();
  new Thread(()->{
         
      System.out.println(x);
  },"t2").start();
  

• 线程 start 前对变量的写，对该线程开始后对该变量的读可见

  static int x;
  x = 10;
  new Thread(()->{
         
      System.out.println(x);
  },"t2").start();
  

• 线程结束前对变量的写，对其它线程得知它结束后的读可见（比如其它线程调用 t1.isAlive() 或 t1.join()等待它结束）

  static int x;
  Thread t1 = new Thread(()->{
         
      x = 10;
  },"t1");
  t1.start();
  t1.join();
  System.out.println(x);
  

• 线程 t1 打断 t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见（通 过t2.interrupted 或 t2.isInterrupted）

  static int x;
  public static void main(String[] args) {
         
      Thread t2 = new Thread(()->{
         
          while(true) {
         
              if(Thread.currentThread().isInterrupted()) {
         
                  System.out.println(x);//0
                  break;
              }
          }
      },"t2");
      t2.start();
      new Thread(()->{
         
          try {
         
              Thread.sleep(1000);
          } catch (InterruptedException e) {
         
              e.printStackTrace();
          }
          x = 10;
          t2.interrupt();
      },"t1").start();
      while(!t2.isInterrupted()) {
         
          Thread.yield();
      }
      System.out.println(x);//0
  }
  

• 对变量默认值（0，false，null）的写，对其它线程对该变量的读可见

• 具有传递性，如果 x hb-> y 并且 y hb-> z 那么有 x hb-> z

以上变量都是指共享变量即成员变量或静态资源变量

4.CAS与原子类

4-1 CAS

CAS 即 Compare and Swap ，它体现的一种乐观锁的思想

比如多个线程要对一个共享的整型变量执行 +1 操作：

// 需要不断尝试
while(true) {
     
    int 旧值 = 共享变量 ; // 比如拿到了当前值 0
    int 结果 = 旧值 + 1; // 在旧值 0 的基础上增加 1 ，正确结果是 1
    /*
	这时候如果别的线程把共享变量改成了 5，本线程的正确结果 1 就作废了，这时候
	compareAndSwap 返回 false，重新尝试，直到：
	compareAndSwap 返回 true，表示我本线程做修改的同时，别的线程没有干扰
	*/
    if( compareAndSwap ( 旧值, 结果 )) {
     
        // 成功，退出循环
    }
    //不一样，继续循环尝试
}

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于竞争不激烈、多核 CPU 的场景下。

• 因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
• 但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

CAS 底层依赖于一个 Unsafe 类来直接调用操作系统底层的 CAS 指令，下面是直接使用 Unsafe 对象进行线程安全保护的一个例子：

public class TestCAS {
     
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
     
        DataContainer dc = new DataContainer();
        int count = 5;
        Thread t = new Thread(() -> {
     
            for (int i = 0; i < count; i++) {
     
                dc.increase();
            }
        });
        t.start();
        t.join();
        System.out.println(dc.getData());
    }
}

class DataContainer {
     
    private volatile int data;
    static final Unsafe unsafe;
    static final long DATA_OFFSET;

    static {
     
        try {
     
            // Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
     
            throw new Error(e);
        }
        try {
     
            // data 属性在 DataContainer 对象中的偏移量，用于 Unsafe 直接访问该属性
            DATA_OFFSET =
                    unsafe.objectFieldOffset(DataContainer.class.getDeclaredField("data"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
     
            throw new Error(e);
        }
    }

    public void increase() {
     
        int oldValue;
        while (true) {
     
            // 获取共享变量旧值，可以在这一行加入断点，修改 data 调试来加深理解
            oldValue = data;
            // cas 尝试修改 data 为 旧值 + 1，如果期间旧值被别的线程改了，返回 false
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue +
                    1)) {
     
                return;
            }
        }
    }

    public void decrease() {
     
        int oldValue;
        while (true) {
     
            oldValue = data;
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue -
                    1)) {
     
                return;
            }
        }
    }

    public int getData() {
     
        return data;
    }
}

4-2 乐观锁与悲观锁

• 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

4-3 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。 可以使用 AtomicInteger 改写之前的例子：

public class TestCAS {
     
    //创建原子整数对象
    private static AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
     
        Thread t1 = new Thread(() -> {
     
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
     
                i.getAndIncrement(); //获取并且自增 i++
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
     
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
     
                i.getAndDecrement(); //获取并且自减 i--
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);//0
    }
}

5.synchronized 优化

Java HotSpot 虚拟机中，每个对象都有对象头（包括 class 指针和 Mark Word）。Mark Word 平时存储这个对象的哈希码 、 分代年龄 ，当加锁时，这些信息就根据情况被替换为标记位 、 线程锁记录指针 、 重量级锁指针 、 线程ID 等内容

5-1 轻量级锁

如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。这就好比：

学生（线程 A）用课本占座，上了半节课，出门了（CPU时间到），回来一看，发现课本没变，说明有竞争，继续上他的课。 如果这期间有其它学生（线程 B）来了，会告知（线程A）有并发访问，线程A 随即升级为重量级锁，进入重量级锁的流程。

而重量级锁就不是那么用课本占座那么简单了，可以想象线程 A 走之前，把座位用一个铁栅栏围起来，假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

static Object obj = new Object();
public static void method1() {
     
    synchronized( obj ) {
     
        // 同步块 A
        method2();
    }
}
public static void method2() {
     
    synchronized( obj ) {
     
        // 同步块 B
    }
}

每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的 Mark Word

5-2 锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

5-3 重量锁

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。

在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。

5-4 偏向锁

轻量级锁在没有竞争时(就自己这个线程)，每次重入仍然需要执行CAS操作。Java 6中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word头，之后发现这个线程ID是自己的就表示没有竞争，不用重新CAS

• 撤销偏向需要将持锁线程升级为轻量级锁，这个过程中所有线程需要暂停（STW）
• 访问对象的 hashCode 也会撤销偏向锁
• 如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID
• 撤销偏向和重偏向都是批量进行的，以类为单位
• 如果撤销偏向到达某个阈值，整个类的所有对象都会变为不可偏向的
• 可以主动使用 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁

5-5 其他优化

（1）减少上锁时间

同步代码块中尽量短

（2）减少锁的粒度

将一个锁拆分为多个锁提高并发度，例如：

• ConcurrentHashMap
• LongAdder 分为 base 和 cells 两部分。没有并发争用的时候或者是 cells 数组正在初始化的时候，会使用 CAS 来累加到base，有并发争用，会初始化 cells 数组，数组有多少个 cell，就允许有多少线程并行修改，最后将数组中每个 cell 累加，再加上 base 就是最终的值
• LinkedBlockingQueue 入队和出队使用不同的锁，相对于LinkedBlockingArray只有一个锁效率要高

（3）锁粗化

多次循环进入同步块不如同步块内多次循环，另外 JVM 可能会做如下优化，把多次 append 的加锁操作粗化为一次（因为都是对同一个对象加锁，没必要重入多次）

new StringBuffer().append("a").append("b").append("c");

（4）锁消除

JVM 会进行代码的逃逸分析，例如某个加锁对象是方法内局部变量，不会被其它线程所访问到，这时候就会被即时编译器忽略掉所有同步操作。

（5）读写分离

如果撤销偏向到达某个阈值，整个类的所有对象都会变为不可偏向的

• 可以主动使用 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁

最后喜欢的小伙伴别忘了一键三连哦