Java内存模型带来的问题

一、重排序

先看例子：

public class OutOfOrderExecution {
    private static int x = 0, y = 0;
    private static int 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;
            CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
            Thread one = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        latch.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    a = 1;
                    x = b;
                }
            });
            Thread two = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        latch.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    b = 1;
                    y = a;
                }
            });

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

可以发现，其实执行的顺序不同，结果会有很大差异

那么什么是重排序：

在线程1内部的两行代码的实际执行顺序和代码在Java文件中的顺序不一致，代码指令并不是严格按照代码语句顺序执行的，它们的顺序被改变了，这就是重排序，这里被颠倒的是y=a和b=1这两行语句。

为什么要有重排序

对比重排序前后的指令优化，可发现重排序后执行语句更少，如下图：

重排序前指令.png

重排序后指令.png

重排序的3中情况：

1. 编译器优化：包括JVM，JIT编译器等。
2. CPU指令重排：就算编译器不发生重排，CPU也可能对指令进行重排
3. 内存的“重排序”：线程A的修改线程B却看不到，引出可见性问题。

二、可见性

先看个demo

public class FieldVisibility {
    int a = 1;
    int b = 2;

    private void change() {
        a = 3;
        b = a;
    }

    private void print() {
        System.out.println("b = " + b + ";a=" + a);
    }

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            FieldVisibility fieldVisibility = new FieldVisibility();
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    fieldVisibility.change();
                }
            }).start();

            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    fieldVisibility.print();
                }
            }).start();
        }
    }
}

运行结果中有：
b = 3;a=3
b = 2;a=1
b = 2;a=3
b = 3;a=1 //可见性问题

用volatile修饰int a = 1;int b = 2; 可避免出现可见性问题。
原理如图：

CPU缓存结构.png

为什么会有可见性问题

CPU有多级缓存，导致读的数据过期
高速缓存的容量比主内存小，但是速度仅次于寄存器，所以在CPU和主内存之间就多了Cache层
线程间的对于共享变量的可见性问题不是直接由多核引起的，而是由多缓存引起的。
如果所有个核心都只用一个缓存，那么也就不存在内存可见性问题了。

每个核心都会将自己需要的数据读到独占缓存中，数据修改后也是写入缓存中，然后等待刷入到主存中。所以会导致有些核心读取的值是一个过期的值。

JMM的抽象：主内存和本地内存

• Java作为高级语言，屏蔽了这些底层细节，用JMM定义了一套读写内存数据的规范，虽然我们不再需要关心一级缓存和二级缓存的问题，但是JMM抽象了主内存和本地内存的概念。
• 这里说的本地内存并不是真的是一块给每个线程分配的内存，而是JMM的一个抽象，是对于寄存器、一级缓存、二级缓存等的抽象。

主内存和本地内存有什么关系呢？

JMM有以下规定：

1. 所有的变量都存储在主内存中，同时每个线程也有自己独立的工作内存，工作内存中的变量是主内存中的拷贝
2. 线程不能直接读写主内存中的变量，而是只能操作自己工作内存中的变量，然后再同步到主内存中
3. 主内存是多个线程共享的，但线程间不共享工作内存，如果线程间需要通信，必须借助主内存中转来完成。
   所有的共享变量存在于主内存中，每个线程有自己的本地内存，而且线程读写共享数据也是通过本地内存交换的，所有才导致了可见性问题。