并发编程之深入理解JMM和并发三大特性(一)

前提：
JMM属于整个Java并发编程中最难的部分也是最重要的部分（JAVA多线程通信模型——共享内存模型），涉及的理论知识比较多，我会从三个维度去分析：

• JAVA层面
• JVM层面
• 硬件层面
  这块如何学？
  这部分理解并发的三大特性，JMM工作内存和主内存关系，知道多线程之间如何通信的，掌握volatile能保证可见性和有序性，CAS就可以了，后续JVM层面和硬件层面的分析，基础比较薄弱的可以先跳过，从后面的Java锁机制开始学，掌握常用的并发工具类，并发容器之后再来看JMM这块。

并发和并行

目标都是最大化CPU的使用率
**并行(parallel)：**指在同一时刻，有多条指令在多个处理器上同时执行。所以无论从微观还是从宏观来看，二者都是一起执行的。

**并发(concurrency)：**指在同一时刻只能有一条指令执行，但多个进程指令被快速的轮换执行，使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果，但在微观上并不是同时执行的，只是把时间分成若干段，使多个进程快速交替的执行。

并行在多处理器系统中存在，而并发可以在单处理器和多处理器系统中都存在，并发能够在单处理器系统中存在是因为并发是并行的假象，并行要求程序能够同时执行多个操作，而并发只是要求程序假装同时执行多个操作（每个小时间片执行一个操作，多个操作快速切换执行）

并发三大特性

并发编程Bug的源头：可见性、原子性和有序性问题

可见性

当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够看到修改的值。Java 内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方法来实现可见性的。
如何保证可见性？

**1. 通过 volatile 关键字保证可见性。

• 通过 内存屏障保证可见性。
• 通过 synchronized 关键字保证可见性。
• 通过 Lock保证可见性。
• 通过 final 关键字保证可见性**

有序性

**即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。**JVM 存在指令重排，所以存在有序性问题。
如何保证有序性？

• 通过 volatile 关键字保证有序性。
• 通过 内存屏障保证有序性。
• 通过 synchronized关键字保证有序性。
• 通过 Lock保证有序性。

原子性

一个或多个操作，要么全部执行且在执行过程中不被任何因素打断，要么全部不执行。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（64位处理器）。不采取任何的原子性保障措施的自增操作并不是原子性的。
如何保证原子性？

• 通过 synchronized 关键字保证原子性。
• 通过 Lock保证原子性。
• 通过 CAS保证原子性。

思考：在 32 位的机器上对 long 型变量进行加减操作是否存在并发隐患？
官方文档

出于 Java 编程语言内存模型的目的，对非易失性long或 double值的单次写入被视为两次单独的写入：一次写入每个 32 位一半。这可能导致线程从一次写入中看到 64 位值的前 32 位，而从另一次写入中看到后 32 位的情况。

对 volatile long和double值的写入和读取 始终是原子的。

对引用的写入和读取始终是原子的，无论它们是作为 32 位还是 64 位值实现的。

某些实现可能会发现将 64 位long或double值上的单个写入操作划分为相邻 32 位值上的两个写入操作很方便。为了效率，这种行为是特定于实现的；Java 虚拟机的实现可以自由地以原子方式或分两部分执行写入long和double值。

鼓励 Java 虚拟机的实现尽可能避免拆分 64 位值。鼓励程序员将共享的 64 位值声明为volatile或正确同步他们的程序，以避免可能出现的复杂情况。

可见性问题深入分析

我们通过下面的Java小程序来分析Java的多线程可见性的问题

public class VisibilityTest {
    //  storeLoad  JVM内存屏障  ---->  (汇编层面指令)  lock; addl $0,0(%%rsp)
    // lock前缀指令不是内存屏障的指令，但是有内存屏障的效果   缓存失效
    private volatile boolean flag = true;
    private Integer count = 0;

    public void refresh() {
        flag = false;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "修改flag:"+flag);
    }

    public void load() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行.....");
        while (flag) {
            //TODO  业务逻辑
            count++;
            //JMM模型    内存模型： 线程间通信有关   共享内存模型
            //没有跳出循环   可见性的问题
            //能够跳出循环   内存屏障
            //UnsafeFactory.getUnsafe().storeFence();
            //能够跳出循环    ?   释放时间片，上下文切换   加载上下文：flag=true
            //Thread.yield();
            //能够跳出循环    内存屏障
            //System.out.println(count);

            //LockSupport.unpark(Thread.currentThread());

            //shortWait(1000000); //1ms
            //shortWait(1000);

//            try {
//                Thread.sleep(1);   //内存屏障
//            } catch (InterruptedException e) {
//                e.printStackTrace();
//            }

            //总结：  Java中可见性如何保证？ 方式归类有两种：
            //1.  jvm层面 storeLoad内存屏障    ===>  x86   lock替代了mfence
            // 2.  上下文切换   Thread.yield();


        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "跳出循环: count=" + count);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VisibilityTest test = new VisibilityTest();

        // 线程threadA模拟数据加载场景
        Thread threadA = new Thread(() -> test.load(), "threadA");
        threadA.start();

        // 让threadA执行一会儿
        Thread.sleep(1000);
        // 线程threadB通过flag控制threadA的执行时间
        Thread threadB = new Thread(() -> test.refresh(), "threadB");
        threadB.start();

    }


    public static void shortWait(long interval) {
        long start = System.nanoTime();
        long end;
        do {
            end = System.nanoTime();
        } while (start + interval >= end);
    }
}

思考：上面例子中为什么多线程对共享变量的操作存在可见性问题？
有这几种情况，会跳出循环，保证可见性：

• 把count换为 Integer，会跳出循环，因为包装类是final修饰的，底层是不是内存屏障有待研究

• 把flag用volatile修饰，会保证可见性，因为底层用的内存屏障

• 在线程A方法中执行UnsafeFactory.getUnsafe().storeFence();能够跳出循环 内存屏障

• 在线程A方法中执行Thread.yield(); 释放时间片，上下文切换 加载上下文：flag=true

• 在线程A方法中执行System.out.println(count)，这是因为sout底层也是使用的synchronized，而synchronized底层也是使用的内存屏障保证可见性

• 等等，具体看代码
  总结： Java中可见性如何保证？ 方式归类有两种

• jvm层面 storeLoad内存屏障 ===> x86 lock替代了mfence

• 上下文切换 Thread.yield();

Java内存模型（JMM）

JMM定义

Java虚拟机规范中定义了Java内存模型（Java Memory Model，JMM），用于屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果，JMM规范了Java虚拟机与计算机内存是如何协同工作的：规定了一个线程如何和何时可以看到由其他线程修改过后的共享变量的值，以及在必须时如何同步的访问共享变量。JMM描述的是一种抽象的概念，一组规则，通过这组规则控制程序中各个变量在共享数据区域和私有数据区域的访问方式，JMM是围绕原子性、有序性、可见性展开的。

JMM与硬件内存架构的关系

Java内存模型与硬件内存架构之间存在差异。硬件内存架构没有区分线程栈和堆。对于硬件，所有的线程栈和堆都分布在主内存中。部分线程栈和堆可能有时候会出现在CPU缓存中和CPU内部的寄存器中。如下图所示，Java内存模型和计算机硬件内存架构是一个交叉关系：

内存交互操作
关于主内存与工作内存之间的具体交互协议，即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：

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
• unlock（解锁）：作用于主内存变量，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。
• read（读取）：作用于主内存变量，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
• 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。
• 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，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
• 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值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
• 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。
• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。
  

Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

• 如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺寻地执行read和load操作， 如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。但Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。
• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现
• 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
• 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
• 一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
• 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。lock和unlock必须成对出现
• 如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值
• 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
• 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）。

JMM的内存可见性保证

按程序类型，Java程序的内存可见性保证可以分为下列3类：

• 单线程程序。单线程程序不会出现内存可见性问题。编译器、runtime和处理器会共同确保单线程程序的执行结果与该程序在顺序一致性模型中的执行结果相同。
• 正确同步的多线程程序。正确同步的多线程程序的执行将具有顺序一致性（程序的执行结果与该程序在顺序一致性内存模型中的执行结果相同）。这是JMM关注的重点，JMM通过限制编译器和处理器的重排序来为程序员提供内存可见性保证。
• 未同步/未正确同步的多线程程序。JMM为它们提供了最小安全性保障：线程执行时读取到的值，要么是之前某个线程写入的值，要么是默认值未同步程序在JMM中的执行时，整体上是无序的，其执行结果无法预知。 JMM不保证未同步程序的执行结果与该程序在顺序一致性模型中的执行结果一致。

volatile的内存语义

volatile的特性

• 可见性：对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。
• 原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性（基于这点，我们通过会认为volatile不具备原子性）。volatile仅仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性，而锁的互斥执行的特性可以确保对整个临界区代码的执行具有原子性。
  64位的long型和double型变量，只要它是volatile变量，对该变量的读/写就具有原子性。
• 有序性：对volatile修饰的变量的读写操作前后加上各种特定的内存屏障来禁止指令重排序来保障有序性。
  在JSR-133之前的旧Java内存模型中，虽然不允许volatile变量之间重排序，但旧的Java内存模型允许volatile变量与普通变量重排序。为了提供一种比锁更轻量级的线程之间通信的机制，JSR-133专家组决定增强volatile的内存语义：严格限制编译器和处理器对volatile变量与普通变量的重排序，确保volatile的写-读和锁的释放-获取具有相同的内存语义。
  volatile写-读的内存语义
• 当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。
• 当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效，线程接下来将从主内存中读取共享变量。