JUC（8）Java内存模型-JMM和Volatile关键字

文章目录

• ​​一、JMM​​

• ​​1.1什么是JMM​​
• ​​1.2内存划分​​
• ​​1.3内存交互操作​​

• ​​二、Volatile​​

• ​​2.1 验证 保证可见性​​
• ​​2.2 验证 不保证原子性​​
• ​​2.3 验证 禁止指令重排（有序性）​​
• ​​2.4小结​​

一、JMM

• JMM （java memory model） 即为JAVA 内存模型 ，不存在的东西，是一个概念，也是一个约定！
• 关于JMM的一些同步的约定：

• 1、线程解锁前，必须把共享变量立刻刷回主存；
• 2、线程加锁前，必须读取主存中的最新值到工作内存中；
• 3、加锁和解锁是同一把锁；

1.1什么是JMM

• JMM即为JAVA 内存模型（java memory model）。因为在不同的硬件生产商和不同的操作系统下，内存的访问逻辑有一定的差异，结果就是当你的代码在某个系统环境下运行良好，并且线程安全，但是换了个系统就出现各种问题。Java内存模型，就是为了屏蔽系统和硬件的差异，让一套代码在不同平台下能到达相同的访问结果。JMM从java 5开始的JSR-133发布后，已经成熟和完善起来。

1.2内存划分

• JMM规定了内存主要划分为主内存和工作内存两种。此处的主内存和工作内存跟JVM内存划分（堆、栈、方法区）是在不同的层次上进行的，如果非要对应起来，主内存对应的是Java堆中的对象实例部分，工作内存对应的是栈中的部分区域，从更底层的来说，主内存对应的是硬件的物理内存，工作内存对应的是寄存器和高速缓存。

• JVM在设计时候考虑到，如果JAVA线程每次读取和写入变量都直接操作主内存，对性能影响比较大，所以每条线程拥有各自的工作内存，工作内存中的变量是主内存中的一份拷贝，线程对变量的读取和写入，直接在工作内存中操作，而不能直接去操作主内存中的变量。但是这样就会出现一个问题，当一个线程修改了自己工作内存中变量，对其他线程是不可见的，会导致线程不安全的问题。因为JMM制定了一套标准来保证开发者在编写多线程程序的时候，能够控制什么时候内存会被同步给其他线程。

遇到问题：程序不知道主存中的值已经被修改过了！；

1.3内存交互操作

• 内存交互操作有8种，虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的，不可再分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许例外）

• lock(锁定)：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态
• unlock(解锁)：作用于主内存的变量，它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，它把一个变量的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操作从主存中变量放入工作内存中
• use(使用)：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令
• assign(赋值)：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
• store(存储)：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write使用
• write(写入)：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中

• JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则：

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load，使用了store必须write
• 不允许线程丢弃他最近的assign操作，即工作变量的数据改变了之后，必须告知主存
• 不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存
• 一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施use、store操作之前，必须经过assign和load操作
• 一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后，必须执行相同次数的unlock才能解锁
• 如果对一个变量进行lock操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，必须重新load或assign操作初始化变量的值
• 如果一个变量没有被lock，就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量
• 对一个变量进行unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存

二、Volatile

• Volatile是 Java 虚拟机提供轻量级的同步机制，他的三大特性：

• 1、保证可见性 （这就要涉及JMM）
• 2、不保证原子性
• 3、禁止指令重排

下面我们来验证三个特性

2.1 验证 保证可见性

package com.wlw.Test_Volatile;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class JMMDemo {
/**
* 这个程序一共有两个线程： main线程 与 我们自己写的一个A线程
* A线程中对变量num 进行判断，如果为0，就一直循环，而main线程中将num 赋值为1，此时我们没有对变量num加volatile关键字，A线程一直循环下去
*
* 如果我们对变量num加volatile关键字，就保证了可见性：当main线程中对num进行修改，A线程可以看见修改后的值，进而进行相关操作
*/
private volatile static int num = 0;

public static void main(String[] args) {

new Thread(()->{
while (num == 0){

}
},"A").start();

try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}

num = 1;
System.out.println(num);
}
}

2.2 验证 不保证原子性

• 原子性：不可分割；
• 线程A在执行任务的时候，不能被打扰的，也不能被分割的，要么同时成功，要么同时失败。

package com.wlw.Test_Volatile;

//volatile 不保证原子性

/**
* 一共20个线程，每个线程调用1000次add()方法，理论上num最后为20000
* 但是多线程操作，会出现同一时刻多个线程对num进行操作（因为在字节码文件中num++ 这个操作被分为三步才执行完，不是原子操作），所以最后的值小于2万
*
* ，加上volatile关键字之后，最后num结果依然小于20000，所以验证了 volatile 不保证原子性。
* 但是如果我们对add()方法 加上synchronized 或者 lock锁，是一定可以保证结果为2万的，
* 但是问题是如果不加lock和synchronized （更耗费资源） ，怎么样保证原子性？
*/
public class VolatileDemo02 {

private volatile static int num = 0;

public static void add(){
num++;
}

public static void main(String[] args) {
// 一共20个线程，每个线程调用1000次add()方法，理论上num最后为20000
for (int i = 1; i <= 20; i++) {
new Thread(()->{
for (int j = 1; j < 1000; j++) {
add();
}
add();
}).start();
}

while (Thread.activeCount() > 2){
Thread.yield();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==>" + num);
}
}

• 问题：如果我们对add()方法 加上synchronized 或者 lock锁，是一定可以保证结果为2万的，但是问题是如果不加lock和synchronized （更耗费资源） ，怎么样保证原子性？
• 解决：使用 java.util.concurrent.atomic(原子包) 包下的原子类

• 这些类的底层都直接和操作系统挂钩！是在内存中修改值。需要用到Unsafe类，而Unsafe类是一个很特殊的存在；（在21.CAS中介绍）

package com.wlw.Test_Volatile;

//volatile 不保证原子性

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
* 一共20个线程，每个线程调用1000次add()方法，理论上num最后为20000
* 但是多线程操作，会出现同一时刻多个线程对num进行操作（因为在字节码文件中num++ 这个操作被分为三步才执行完，不是原子操作），所以最后的值小于2万
* ，加上volatile关键字之后，最后num结果依然小于20000，所以 验证了 volatile 不保证原子性。
* 但是如果我们对add()方法 加上synchronized 或者 lock锁，是一定可以保证结果为2万的，
* 但是问题是如果不加lock和synchronized （更耗费资源） ，怎么样保证原子性？
* 解决办法：使用 java.util.concurrent.atomic(原子包) 包下的原子类
*/
public class VolatileDemo02 {

//private static int num = 0;
//使用原子类AtomicInteger 替换int
private volatile static AtomicInteger num = new AtomicInteger();

public static void add(){
//num++;
num.getAndIncrement();//原子类的加1操作 , 里面是调用的是native方法, 用的是底层的CAS（cpu的并发原语，效率极高）
}

public static void main(String[] args) {
// 一共20个线程，每个线程调用1000次add()方法，理论上num最后为20000
for (int i = 1; i <= 20; i++) {
new Thread(()->{
for (int j = 1; j < 1000; j++) {
add();
}
add();
}).start();
}

while (Thread.activeCount() > 2){
Thread.yield();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "==>" + num);
}
}

2.3 验证 禁止指令重排（有序性）

• 什么是指令重排？

• 我们写的程序，计算机并不是按照我们自己写的那样去执行的
• 源代码–>编译器优化重排–>指令并行也可能会重排–>内存系统也会重排–>执行

• 系统处理器在进行指令重排的时候，会考虑数据之间的依赖性！并不会随意地去排

int x=1; //1
int y=2; //2
x=x+5; //3
y=x*x; //4

//我们期望的执行顺序是 1_2_3_4 指令重排后，可能执行的顺序会变成2134 1324
//可不可能是 4123？ 不可能的

• 看一个例子：
  可能造成的影响结果：前提：a b x y这四个值 默认都是0

线程A

线程B

x=a

y=b

b=1

a=2

我们期望的 正常的结果： x = 0; y =0;

线程A

线程B

b=1

a=2

x=a

y=b

可能在线程A中会出现，先执行b=1,然后再执行x=a；

在B线程中可能会出现，先执行a=2，然后执行y=b；

那么就有可能结果如下：x=2; y=1

• volatile可以避免指令重排：是因为volatile中会加一道内存的屏障，这个内存屏障可以保证在这个屏障中的指令顺序。

• 内存屏障，是CPU指令。作用：

• 1、保证特定的操作的执行顺序；
• 2、可以保证某些变量的内存可见性（利用这些特性，就可以保证volatile实现的可见性）

2.4小结

• Volatile是可以保证可见性，不能保证原子性，由于内存屏障，可以保证避免指令重排的现象产生！
• Volatile 内存屏障在哪使用最多：在单例模式中使用最多（饿汉式，DCL懒汉式中用到了Volatile），链接为：