2022.8.21 JMM与volatile

16、JMM

什么是JMM

JMM ： Java内存模型，不存在的东西，概念！约定！

关于JMM的同步约定：

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

线程 :工作内存、主内存

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。

8种操作

每个线程都有自己的工作内存，主存只有一个。

过程解析：

1、线程会去主存里读取信息然后加载到工作内存，然后加锁（read和load，带上lock）

2、线程的执行引擎会使用工作内存里的信息，更新完毕后赋值给工作内（use和assign）

3、当线程执行完毕后会将工作内存的信息写入并且存储在主存，然后解锁（write和store，带上unlock）

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，不可在分的（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

　　JMM对这八种操作规则和对volatile的一些特殊规则就能确定哪里操作是线程安全，哪些操作是线程不安全的了。但是这些规则实在复杂，很难在实践中直接分析。所以一般我们也不会通过上述规则进行分析。更多的时候，使用java的happen-before规则来进行分析。

但这样存在一定的问题:当线程AB同时读取了一个数据，线程A还在处理的时候，线程B就先写入改变了主内存中的

数据的时候，此时A是看不到数据发生改变的，会有覆盖的风险，所以此时要引入volatile。

问题测试：程序不知道主内存的值已经被修改过了

 package com.xing.volatileDemo;
 ​
 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 ​
 public class JMMDemo {
     private static int num = 0;
     public static void main(String[] args) {
         new Thread(()->{//线程1
             while(num == 0){
 ​
             }
         }).start();
 ​
         try {
             TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         num = 1;
         System.out.println(num);
     }
 }
 ​

 

17、volatile

请你谈谈你对 Volatile 的理解，Volatile 是 Java 虚拟机提供轻量级的同步机制，类似于synchronized 但是没有其强大。

• 保证可见性

• 不保证原子性

• 禁止指令重排

1、可见性：

此时B线程陷入了死循环并且运行不会停止

解决办法：在变量中加入volatile

 package com.xing.volatileDemo;
 ​
 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 ​
 public class JMMDemo {
     //不加 volatile程序就会死循环！
     //加了 volatile可以保证可见性
     private volatile static int num = 0;
     public static void main(String[] args) {
         new Thread(()->{//线程1 对主内存的变化不知道的
             while(num == 0){
 ​
             }
         }).start();
 ​
         try {
             TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         num = 1;
         System.out.println(num);
     }
 }
 ​

 

2、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。要么同时成功，要么同时失败

 package com.xing.volatileDemo;
 //不保证原子性
 public class VDemo02 {
     private volatile static int num = 0;
 ​
     /*public synchronized static void add(){
         num++;
     }//200000*/
 ​
     public static void add(){
         num++;
     }
     //理论上num结果为2w
     public static void main(String[] args) {
         //20个线程
         for (int i = 1; i <= 20; i++) {
             //每个线程加1000次
             new Thread(() -> {
                 for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                     add();
                 }
             }).start();
         }
         //判断线程跑完条件    存活线程的数量
         while(Thread.activeCount()>2){
             //java中有两个线程是默认执行的一个是main一个GC
             Thread.yield();
         }
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + num);
     }
 }
 ​

 

输出结果是不确定的，因为不保证原子性

解决办法：

1、加锁，不论是synchronized还是lock都可以（可行）

2、使用JUC下的原子类

juc原子类：

使用原子类进行操作：

 package com.xing.volatileDemo;
 ​
 import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 ​
 //不保证原子性
 public class VDemo02 {
     //原子类的Integer
     private volatile static AtomicInteger num = new AtomicInteger();
 ​
     /*public synchronized static void add(){
         num++;
     }//200000*/
 ​
     public static void add(){
         //num++;//不是一个原子性操作
         num.getAndIncrement();//+1方法 用底层的CAS
     }
     //理论上num结果为2w
     public static void main(String[] args) {
         for (int i =1;i<=20;i++){
             new Thread(()->{
                 for (int j=0;j<1000;j++){
                     add();
                 }
             }).start();
         }
         while(Thread.activeCount()>2){
             //java中有两个线程是默认执行的一个是main一个GC
             Thread.yield();
         }
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + num);
 ​
     }
 }
 ​

 

发现答案正确，说明加锁和原子类操作都可行。

这些类的底层都直接和操作系统挂钩，在内存中修改值 ! Unsafe类是一个很特殊的存在!

3、禁止指令重排：

什么是指令重排:你写的程序，计算机并不是按照你写的那样去执行的。

源代码–>编译器优化的重排–>指令并行也可能会重排–>内存系统也会重排—>执行

处理器在进行指令重排的时候，考虑:数据之间的依赖性!

 int x = 1; // 1
 int y = 2; // 2
 x = x + 5; // 3
 y = x * x; // 4
 ​
 我们所期望的：1234 但是可能执行的时候会变成 2134 或者 1324，但是不可能是 4123！
 ​
 ​

指令重排可能会出现的问题：

可能造成影响得到不同的结果：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

正常的结果：x = 0，y = 0；

但是由于指定重排可能执行顺序发生变化，出现以下结果：

线程A	线程B
b = 1	a = 2
x = a	y = b

指令重排导致的异常结果：x = 2，y= 1；

volatile可以避免指令重排：操作系统内存在内存屏障。

内存屏障作用:

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volatile实现了可见性)

示意图：

 

 

Volatile是可以保持可见性。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!

内存屏障使用最多的地方单列模式（DCL懒汉式）