前言

開(kāi)篇一個(gè)例子，我看看都有誰(shuí)會(huì)？如果不會(huì)的，或者不知道原理的，還是老老實(shí)實(shí)看完這篇文章吧。

@Slf4j(topic = "c.VolatileTest")
public class VolatileTest {
    
    static boolean run = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            while (run) {
                // do other things
            }
            
            // ?????? 這行會(huì)打印嗎？
            log.info("done .....");
        });
        t.start();
        
        Thread.sleep(1000);

       // 設(shè)置run = false
        run = false;
    }
}

main函數(shù)中新開(kāi)個(gè)線程根據(jù)標(biāo)位run循環(huán)，主線程中sleep一秒，然后設(shè)置run=false，大家認(rèn)為會(huì)打印"done ......."嗎?

答案就是不會(huì)打印，為什么呢？

JAVA并發(fā)三大特性

我們先來(lái)解釋下上面問(wèn)題的原因，如下圖所示，

現(xiàn)代的CPU架構(gòu)基本有多級(jí)緩存機(jī)制，t線程會(huì)將run加載到高速緩存中，然后主線程修改了主內(nèi)存的值為false，導(dǎo)致緩存不一致，但是t線程依然是從工作內(nèi)存中的高速緩存讀取run的值，最終無(wú)法跳出循環(huán)。

可見(jiàn)性

正如上面的例子，由于不做任何處理，一個(gè)線程能否立刻看到另外一個(gè)線程修改的共享變量值，我們稱為"可見(jiàn)性"。

如果在并發(fā)程序中，不做任何處理，那么就會(huì)帶來(lái)可見(jiàn)性問(wèn)題，具體如何處理，見(jiàn)后文。

有序性

有序性是指程序按照代碼的先后順序執(zhí)行。但是編譯器或者處理器出于性能原因，改變程序語(yǔ)句的先后順序，比如代碼順序"a=1; b=2;"，但是指令重排序后，有可能會(huì)變成"b=2；a=1", 那么這樣在并發(fā)情況下，會(huì)有問(wèn)題嗎？

在單線程情況下，指令重排序不會(huì)有任何影響。但是在并發(fā)情況下，可能會(huì)導(dǎo)致一些意想不到的bug。比如下面的例子：

public class Singleton {
  static Singleton instance;
    
  static Singleton getInstance(){
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) {
        if (instance == null)
          instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
  }
}

假設(shè)有兩個(gè)線程 A、B 同時(shí)調(diào)用 getInstance() 方法，正常情況下，他們都可以拿到instance實(shí)例。

但往往bug就在一些極端的異常情況，比如new Singleton() 這個(gè)操作，實(shí)際會(huì)有下面3個(gè)步驟：

分配一塊內(nèi)存 M；

在內(nèi)存 M 上初始化 Singleton 對(duì)象；

然后 M 的地址賦值給 instance 變量。

現(xiàn)在發(fā)生指令重排序，順序變?yōu)橄旅娴姆绞剑?/p>

分配一塊內(nèi)存 M；

將 M 的地址賦值給 instance 變量；

最后在內(nèi)存 M 上初始化 Singleton 對(duì)象。

優(yōu)化后會(huì)導(dǎo)致什么問(wèn)題呢？我們假設(shè)線程 A 先執(zhí)行 getInstance() 方法，當(dāng)執(zhí)行完指令 2 時(shí)恰好發(fā)生了線程切換，切換到了線程 B 上；如果此時(shí)線程 B 也執(zhí)行 getInstance() 方法，那么線程 B 在執(zhí)行第一個(gè)判斷時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn) instance != null ，所以直接返回 instance，而此時(shí)的 instance 是沒(méi)有初始化過(guò)的，如果我們這個(gè)時(shí)候訪問(wèn) instance 的成員變量就可能觸發(fā)空指針異常。

這就是并發(fā)情況下，有序性帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題，這種情況又該如何處理呢？

當(dāng)然，指令重排序并不會(huì)瞎排序，處理器在進(jìn)行重排序時(shí)，必須要考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性。

原子性

如上圖所示，在多線程的情況下，CPU資源會(huì)在不同的線程間切換。那么這樣也會(huì)導(dǎo)致意向不到的問(wèn)題。

比如你認(rèn)為的一行代碼：count += 1,實(shí)際上涉及了多條CPU指令：

指令 1：首先，需要把變量 count 從內(nèi)存加載到 CPU 的寄存器； 指令 2：之后，在寄存器中執(zhí)行 +1 操作； 指令 3：最后，將結(jié)果寫入內(nèi)存（緩存機(jī)制導(dǎo)致可能寫入的是 CPU 緩存而不是內(nèi)存）。

操作系統(tǒng)做任務(wù)切換，可以發(fā)生在任何一條CPU 指令執(zhí)行完。假設(shè) count=0，如果線程 A 在指令 1 執(zhí)行完后做線程切換，線程 A 和線程 B 按照下圖的序列執(zhí)行，那么我們會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)線程都執(zhí)行了 count+=1 的操作，但是得到的結(jié)果不是我們期望的 2，而是 1。

我們潛意識(shí)認(rèn)為的這個(gè)count+=1操作是一個(gè)不可分割的整體，就像一個(gè)原子一樣，我們把一個(gè)或者多個(gè)操作在 CPU 執(zhí)行的過(guò)程中不被中斷的特性稱為原子性。但實(shí)際情況就是不做任何處理的話，在并發(fā)情況下CPU進(jìn)行切換，導(dǎo)致出現(xiàn)原子性的問(wèn)題，我們一般通過(guò)加鎖解決，這個(gè)不是本文的重點(diǎn)。

Java內(nèi)存模型真面目

前面講解并發(fā)的三大特性，其中原子性問(wèn)題可以通過(guò)加鎖的方式解決，那么可見(jiàn)性和有序性有什么解決的方案呢？其實(shí)也很容易想到，可見(jiàn)性是因?yàn)榫彺鎸?dǎo)致，有序性是因?yàn)榫幾g優(yōu)化指令重排序?qū)е?，那么是不是可以讓程序員按需禁用緩存以及編譯優(yōu)化， 因?yàn)橹挥谐绦騿T知道什么情況下會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題 。 順著這個(gè)思路，就提出了JAVA內(nèi)存模型（JMM）規(guī)范。

Java 內(nèi)存模型是 Java Memory Model（JMM），本身是一種抽象的概念，實(shí)際上并不存在，描述的是一組規(guī)則或規(guī)范，通過(guò)這組規(guī)范定義了程序中各個(gè)變量（包括實(shí)例字段，靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素）的訪問(wèn)方式。

默認(rèn)情況下，JMM中的內(nèi)存機(jī)制如下：

系統(tǒng)存在一個(gè)主內(nèi)存（Main Memory），Java 中所有變量都存儲(chǔ)在主存中，對(duì)于所有線程都是共享的 每條線程都有自己的工作內(nèi)存（Working Memory），工作內(nèi)存中保存的是主存中某些變量的拷貝 線程對(duì)所有變量的操作都是先對(duì)變量進(jìn)行拷貝，然后在工作內(nèi)存中進(jìn)行，不能直接操作主內(nèi)存中的變量 線程之間無(wú)法相互直接訪問(wèn)，線程間的通信（傳遞）必須通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成

同時(shí)，JMM規(guī)范了 JVM 如何提供按需禁用緩存和編譯優(yōu)化的方法，主要是通過(guò)volatile、synchronized 和 final 三個(gè)關(guān)鍵字，那具體的規(guī)則是什么樣的呢？

JMM 中的主內(nèi)存、工作內(nèi)存與 JVM 中的 Java 堆、棧、方法區(qū)等并不是同一個(gè)層次的內(nèi)存劃分，這兩者基本上是沒(méi)有關(guān)系的。

Happens-Before規(guī)則

JMM本質(zhì)上包含了一些規(guī)則，那這個(gè)規(guī)則就是大家有所耳聞的Happens-Before規(guī)則，大家都理解了些規(guī)則嗎？

Happens-Before規(guī)則，可以簡(jiǎn)單理解為如果想要A線程發(fā)生在B線程前面，也就是B線程能夠看到A線程，需要遵循6個(gè)原則。如果不符合 happens-before 規(guī)則，JMM 并不能保證一個(gè)線程的可見(jiàn)性和有序性。

1.程序的順序性規(guī)則

在一個(gè)線程中，邏輯上書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作。

這個(gè)規(guī)則很好理解，同一個(gè)線程中他們是用的同一個(gè)工作緩存，是可見(jiàn)的，并且多個(gè)操作之間有先后依賴關(guān)系，則不允許對(duì)這些操作進(jìn)行重排序。

2. volatile 變量規(guī)則

指對(duì)一個(gè) volatile 變量的寫操作， Happens-Before 于后續(xù)對(duì)這個(gè) volatile 變量的讀操作。

怎么理解呢？比如線程A對(duì)volatile變量進(jìn)行寫操作，那么線程B讀取這個(gè)volatile變量是可見(jiàn)的，就是說(shuō)能夠讀取到最新的值。

3.傳遞性

這條規(guī)則是指如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。

這個(gè)規(guī)則也比較容易理解，不展開(kāi)討論了。

鎖的規(guī)則

這條規(guī)則是指對(duì)一個(gè)鎖的解鎖 Happens-Before于后續(xù)對(duì)這個(gè)鎖的加鎖，這里的鎖要是同一把鎖, 而且用synchronized或者ReentrantLock都可以。

如下代碼的例子：

synchronized (this) { // 此處自動(dòng)加鎖
  // x 是共享變量, 初始值 =10
  if (this.x < 12) {
    this.x = 12; 
  }  
} // 此處自動(dòng)解鎖

假設(shè) x 的初始值是 8，線程 A 執(zhí)行完代碼塊后 x 的值會(huì)變成 12（執(zhí)行完自動(dòng)釋放鎖） 線程 B 進(jìn)入代碼塊時(shí)，能夠看到線程 A 對(duì) x 的寫操作，也就是線程 B 能夠看到 x==12。

5.線程 start() 規(guī)則

主線程 A 啟動(dòng)子線程 B 后，子線程 B 能夠看到主線程在啟動(dòng)子線程 B 前的操作。

這個(gè)規(guī)則也很容易理解，線程 A 調(diào)用線程 B 的 start() 方法（即在線程 A 中啟動(dòng)線程 B），那么該 start() 操作 Happens-Before 于線程 B 中的任意操作。

6.線程 join() 規(guī)則

線程 A 中，調(diào)用線程 B 的 join() 并成功返回，那么線程 B 中的任意操作 Happens-Before 于該 join() 操作的返回。

使用JMM規(guī)則

我們現(xiàn)在已經(jīng)基本講清楚了JAVA內(nèi)存模型規(guī)范，以及里面關(guān)鍵的Happens-Before規(guī)則，那有啥用呢？回到前言的問(wèn)題中，我們是不是可以使用目前學(xué)到的關(guān)于JMM的知識(shí)去解決這個(gè)問(wèn)題。

方案一： 使用volatile

根據(jù)JMM的第2條規(guī)則，主線程寫了volatile修飾的run變量，后面的t線程讀取的時(shí)候就可以看到了。

方案二：使用鎖

利用synchronized鎖的規(guī)則，主線程釋放鎖，那么后續(xù)t線程加鎖就可以看到之前的內(nèi)容了。

小結(jié)：

volatile 關(guān)鍵字

保證可見(jiàn)性 不保證原子性 保證有序性（禁止指令重排）

volatile 修飾的變量進(jìn)行讀操作與普通變量幾乎沒(méi)什么差別，但是寫操作相對(duì)慢一些，因?yàn)樾枰诒镜卮a中插入很多內(nèi)存屏障來(lái)保證指令不會(huì)發(fā)生亂序執(zhí)行，但是開(kāi)銷比鎖要小。volatile的性能遠(yuǎn)比加鎖要好。

synchronized 關(guān)鍵字

保證可見(jiàn)性 不保證原子性 保證有序性

加了鎖之后，只能有一個(gè)線程獲得到了鎖，獲得不到鎖的線程就要阻塞，所以同一時(shí)間只有一個(gè)線程執(zhí)行，相當(dāng)于單線程，由于數(shù)據(jù)依賴性的存在，單線程的指令重排是沒(méi)有問(wèn)題的。

線程加鎖前，將清空工作內(nèi)存中共享變量的值，使用共享變量時(shí)需要從主內(nèi)存中重新讀取最新的值；線程解鎖前，必須把共享變量的最新值刷新到主內(nèi)存中。

總結(jié)

本文講解了JAVA并發(fā)的3大特性，可見(jiàn)性、有序性和原子性。從而引出了JAVA內(nèi)存模型規(guī)范，這主要是為了解決并發(fā)情況下帶來(lái)的可見(jiàn)性和有序性問(wèn)題，主要就是定義了一些規(guī)則，需要我們程序員懂得這些規(guī)則，然后根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景去使用，就是使用volatile、synchronized、final關(guān)鍵字，主要final關(guān)鍵字也會(huì)讓其他線程可見(jiàn)，并且保證有序性。那么具體他們底層的實(shí)現(xiàn)是什么，是如何保證可見(jiàn)和有序的，我們后面詳細(xì)講解。

到此這篇關(guān)于JAVA內(nèi)存模型(JMM)詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)JAVA內(nèi)存模型 JMM內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！