并发(一):JMM和Volatile关键字本文:理论知识偏多, 可自行掌握。大纲内容 Java内存模型什么是JMM

本文:理论知识偏多, 可自行掌握。 大纲内容

Java内存模型
- - 什么是JMM
  - 重排序
  - happens-before
  - as-if-serial
volatile关键字的用法

**什么是JMM **JMM是一种抽象思想，是一组规范，定义了程序中每个共享变量的访问方式，JMM是围绕着原子性，有序性，可见性展开的。JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系，主内存中主要保存着共享变量，每个线程中都有工作内存，是线程私有的，线程对共享变量的操作必须在工作内存中进行，首先要把变量从主内存中拷贝到自己的工作内存，然后对变量进行操作，操作完后再写回主内存中，不能直接操作主内存中的变量。

线程之间的通信必须依靠主内存来进行读写的。通俗理解: 当线程A修改了值，线程B想要获取新值，则必须等线程A写回主内存中，线程B再去读主内存的新值，此举就达成"通信"的概念

1：初始值假设x=0，当线程A从主内存中读取x值时，放入到线程A的本地内存中修改，将x=0修改成了x=1。 2：当线程B想要获取到最新值，必须要等线程A把x=1的更新操作写回主内存中，线程B再去主内存中获取x值时，才能拿到最新值。

在案例中，任何线程都不能去主内存中进行更新操作，如果两个线程都同时对一个共享变量进行操作，会引发线程不安全问题，比如线程A想用对x+1操作，线程B想用对x+3操作，当x=0是默认值时，此时x的最终正确值应该是:4，而线程不安全，最终的结果可能是: 1，3，4。为1时：说明线程A和线程B同时把主内存中的共享变量x=0都读取到自己的工作内存中，线程A中结果为1，线程B结果为3，但线程B先写回主内存中，线程A再写回主内存中，把结果为3的值覆盖成了1。为3时：结果同上，线程B的结果把线程A的结果给覆盖了。为4时：说明是串行的，线程A执行完后把结果写回了主内存中，线程B拿到了最新的主内存再进行计算(也有可能是线程B先获取，线程A再计算)。

个人理解：线程不安全指的是多线程下, 无法准确获取到正确值。

这其中有一个有序性原则，而下文的volatile就保证了有序性和可见性，锁可以保证原子性，有序性，可见性。

问题1：线程之间如何保证通信?1：Java内存模型，通过主内存和共享内存的约束，保证线程之间的通信。2：阻塞队列/同步队列可以保证线程之间通信。
JMM定义了八种原子操作来解决线程不安全问题

lock：锁定，作用于主内存中，把一个共享变量标记为一条线程的独占状态。
unlock：解锁，作用于主内存中，把一个处于独占状态的共享变量释放出来，释放出来的变量能被其他线程获取。
read：读取主内存中的共享变量。
load：把读取到的共享变量加载进线程的工作内存中。
use：把工作内存中的变量交给执行引擎进行处理。
assign：接受被执行引擎处理的值，复制给工作内存中的变量。
store：把工作内存的结果值，传送给主内存中。
write：把最终的结果值，更新进主内存的共享变量中。

其中read和load是把主内存中的值读到工作内存中，store和write是把工作内存的最新值写回主内存中。 问题2: JMM和JVM有什么区别? JMM是虚拟的一种规则，主要是约束了各个线程访问共享变量的一种规范，同时是线程之间通信的一种方式，而JVM是真实的程序，唯一的相似点就是：都存在共享区域的概念，都存在线程私有区域的概念。

重排序如果重排序后的结果跟顺序执行的结果一致时，程序优先使用重排序，提高执行效率，重排序是只指优化器和处理器为了优化程序代码，对指令序列进行重新排序的一种优化手段，如果代码中存在数据依赖，则该代码块不允许重排序。

在DCL单例模式中，使用了volatile关键字来防止重排序。

happens-before

程序顺序规则
在单线程场景下，按照程序代码的执行顺序，先执行的操作happens-before后续的操作，处理器和编译器可对不存在数据依赖的代码进行指令重排序，目的是为了提高执行效率。
volatile变量规则

对一个volatile变量的写操作是happens-before于后续对该变量的读操作，同时volatile保证了有序性和可见性，同时禁止指令重排。

加锁/解锁规则

一个解锁操作是happens-before下一个加锁操作之前。

线程启动规则

线程的start()是happens-before该线程的所有方法。即如果线程A在执行线程B的start方法之前修改了共享变量的值，那么当线程B执行start()方法时，线程A对共享变量的修改对线程B是可见的。

线程销毁规则

该线程的所有方法都happens-before该线程的销毁方法

线程中断规则

执行该线程的interrupt()方法是happens-before该线程去检验是否发生过中断操作。

对象终结规则

一个对象初始化是happens-before该对象的finalize()方法。finalize()方法就像垃圾回收对象的复活甲一样，如果该对象重写了该方法并引用了引用链上的某个对象，则不会被回收。

as-if-serial保证单线程内的执行结果不会被改变，如果代码之间不存在数据依赖，处理器和编译器会对代码进行重排序提高并发性，感觉重排序是基于as-if-serial规则的。

**volatile关键字 **volatile可以保证变量的可见性和有序性。可见性的意思是当一个线程修改被volatile修饰的变量时，修改完后会立即写回主内存中，其他线程可以立即读到被修改的最新值。有序性的意思是打破了重排序的指令排序，使用内存屏障禁止指令重排，内存屏障分为四种：读读屏障，读写屏障，写写屏障，写读屏障。

读读屏障
保证第一个volatile读优先于第二个volatile读。
读写屏障

保证第一个volatile读优先于第二个volatile写。

写写屏障

保证第一个volatile写操作优先于第二个volatile写操作写进主内存中。

写读屏障
保证第一个volatile写操作优先于第二个volatile读操作，即写操作立即写进主内存中，才开始读的操作。

内存屏障：1：保证指令重排，2：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最新的数据。 问题3：为什么要禁止指令重排呢？

1：若不加锁，会造成线程不安全，即两个线程都去new对象。

2：加了两次if判断，个人理解也是大题小作，第一个if判断就是多余的，加了是考虑锁的范围太大，带来性能消耗。

3：如果没有volatile关键字，在new对象时，指令分为三步：给对象分配内存空间，初始化对象，将对象引用指向内存地址，其中第二个操作和第三个操作是可以进行指令重排的，假设先执行第三个操作，再执行第二个操作，当线程A进行指令重排时，并且释放完锁，此时线程B判断不为空，但由于线程A的引用对象其实还没有完成初始化，线程B拿到的instance对象是未初始化的，此时调用对象中的属性就可能会报错。

其实有个疑惑：既然加锁了，只有第一个线程代码块都执行完，释放锁后，第二个线程才会去判断是否为null，那既然第一个线程执行完了代码块后，还存在初始化的流程没有执行完?

public class DclSington{       
private volatile static DclSington instance;       
private DclSington(){       
//禁止外部new该对象       
}       
public static DclSington getSington(){          
if(instance==null){             
synchronized(DclSington.class){                 
if(instance==null){                    
instance = new DclSington();                    
return instance;                 
}             
}           
}           
return instance;       
}}

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对于的本地内存中的变量立即刷新进主内存中。

当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对于的本地内存中的变量视为无效，重新去主内存中获取最新值。

volatile只能保证有序性和可见性，但无法保证原子性，下面的代码正确结果是:1000

但结果却不是1000，为什么呢？

因为使用volatile有一个前提：被volatile修饰的变量，不能依赖于上次的原值。

个人理解，在并发情况下，因为无法保证原子性，可能同时会有两个线程的工作内存拿到的都是相同值，同时写回主内存中，造成了线程不安全。

public static void main(String[] args) {
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        new Thread(() -> {
            try {
                countDownLatch.await();
                key++;
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
    try {
        Thread.sleep(5000L);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    countDownLatch.countDown();

    try {
        Thread.sleep(5000L);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println(key);
}

问题4：volatile和static有什么区别?

volatile能保证数据的有序性，可见性，如果主内存中的变量被volatile修饰，在工作内存中被修改，会立即刷新到主内存中，让工作内存和主内存的变量保证一致。static是保证数据的唯一性，不保证数据的有序性和可见性。

原子性: 一个操作是不可中断的，即使在多线程场景下，一个操作一旦开始就不会被其他线程影响。可见性：当一个线程修改了某个共享变量的值后，其他线程能够立即读取最新值。 有序性：如果不遵循happens-before原则，则不能保证有序性。

单线程内的as-if-serial能保证程序执行的顺序，只要重排序的结果和顺序执行的结果一致时，优先考虑重排序，而多线程场景下，重排序带来的乱序，会导致各个线程间的顺序未必一致。前者是单线程内保证串行语义执行的一致性，后者是指令重排现象导致工作内存和主内存同步延迟的问题。

问题5：如何保证程序的原子性，可见性，有序性？ 使用锁，能保证同一时刻，只能由一个线程访问临界资源，比如synchronized和Lock。同时锁还能保证可见性和有序性，在加锁的情况下，一个线程去处理，相当于是单线程，而单线程因为有as-if-serial，能保证程序 "顺序" 安全执行完。