JMM知识点总结

JMM知识点总结

一、什么是JMM？

不知道大家在学习的过程有没有思考过这两个问题

1. 为什么说java是跨平台语言
2. 导致并发问题的原因是什么

第一个问题，我是这么理解的，代码运行本质上是将我们写的语言转换为操作系统可运行的指令集，而不同的操作系统可能有不同的cpu，对应了不同的指令集，比如windows就是不开源的，它只能运行在intel 86架构的cpu上，不能运行在ARM上，但linux开源，所有它有不同的版本，运行在不同的架构上，java针对这种情况，自己设计了一套内存模型来屏蔽这种差异，这也是JMM存在的原因之一。

第二个问题，才是JMM发光发热的原因。现代计算机越来越复杂，但也越来越快，处理的东西也越来越多，其原因之一是现代计算机采用了多核结构，也就是存在多个CPU core，cpu多是可以同时处理不同的事情，但硬件发展还根本上这么大的进步，cpu处理数据与内存处理数据不匹配，因此，又弄出了CPU缓存模型，也就是cpu cache，现代计算机将CPU cache又细分为三层，对应了L1，L2,L3，但是这又带来了新问题，不同的cpu core通常有自己的cache，在数据读写的过程中，难免出现数据不一致现象，cpu解决这个问题是制定了MESI协议等缓存一致协议，规定CPU在高速缓存和主内存交互时遵循的规范，而操作系统也要解决这个问题，原因是操作系统虚拟化了底层硬件，不同的cache在它眼里就是一样的，OS的解决办法就是指定内存模型来进行规范，无论是windows还是linux都有自己的内存模型。此外，发生并发安全问题的还有另一个因素，就是指令集重排序，它是编译器和处理器对代码的一种优化，但是又没有那么智能，有时候也会帮了倒忙。

JAVA虽然可以使用操作系统自己的内存模型，但作为跨平台语言，不能依靠操作系统，因此，它制定了自己的内存模型，规范了java源代码转换为CPU指令的过程，同时java模型也进行了优化，原本是java线程操作同一个主存，优化后抽象出一层“本地内存”（硬件上就是寄存器），这样就有了类似CPU缓存一致性问题，所有又赋予JAVA内存模型其他特性（原子性，可见性，有序性）和原则（happens-before原则）

二、JMM的三大特性

1. 原子性

• 原子性存在多个计算机领域中，它的意思就是一组操作要么全部执行，要么全部不执行，众所周知，i++并不是一组原子操作，java中原子操作有基本类型的赋值（有些情况下，double和long类型并不是原子操作），所有reference引用的赋值操作，Atomic中的操作

• 原子性如何保证：

  java中有两种操作保证原子性，一种是加锁如synchronized，另一种就是CAS算法思想设计的类

2. 有序性

• CPU和编译器会对代码进行一些优化，就是指令重排序优化，表现的现象为指令和java代码的顺序可能不一致，这就导致在并发编程的时候会出现一些稀奇古怪的问题

• 代码

  public class OutOfOrderExecution {
                 
      private static int x=0,y=0;
      private static int a=0,b=0;
                 
      // 禁止重排序
  //    private volatile static int x=0,y=0;
  //    private volatile static int a=0,b=0;
                 
      public static void main(String[] args) throws Exception {
          int i = 0;
          for (; ; ) {
              i++;
              a=0;
              b=0;
              x=0;
              y=0;
              CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
              Thread one = new Thread(new Runnable() {
                  @Override
                  public void run() {
                      a = 1;
                      x = b;
                  }
              });
                 
              Thread two = new Thread(new Runnable() {
                  @Override
                  public void run() {
                      b = 1;
                      y = a;
                  }
              });
              one.start();
              two.start();
              one.join();
              two.join();
              String result="第"+i+"次"+"x= " + x + ",y= " + y;
              if(x==0&&y==0){
                  System.out.println(result);
                  break;
              }else{
                  System.out.println(result);
              }
                 
          }
      }
  }
                 
  

• 代码分析

  正常存在三种情况

  • a=1,x=b,b=1,y=a --------> x=0,y=1
  • b=1,y=a ,a=1,x=b --------> x=1,y=0
  • a=1,b=1,y=a,x=b --------> x=1,y=1 (发生线程上下文切换)

  异常情况

  • y=a,a=1,x=b,b=1(不一定这么排) --------> x=0,y=0 (发生了指令重排序)

  如果在本线程中，任何操作都是有序的，这里的有序可以理解为串行，但是从另一个线程观察这个线程，这个线程中所有操作都是无序的，因为存在指令重排序优化

• 有序性如何保证

  volatile，synchronized都可以保证并发的有序性，volatile不解释，自身都有语义禁止重排序，synchronized保证的同一时刻一个变量（或者一段代码）只能由一个线程操作，这保证了as-if-serial语义，as-if-serial语义简单理解就是单线程环境下，重排序不能影响结果（如果单线程下，重排序导致结果错了，cpu和编译器纯纯坏蛋！）

3. 可见性

• 可见性问题的根本原因就是CPU缓存存在多个，如果只有一个就不会发生可见性问题，所谓可见性问题就是别的线程改了某值，但是其他线程不一定知道，然后芭比q了

• 代码

  public class FieldVisibility {
      int a=1;
      int b=2;
  //     volatile int a=1;
  //     volatile int b=2;
  
      public static void main(String[] args) throws Exception{
  
          while(true){
              FieldVisibility test = new FieldVisibility();
              new Thread(new Runnable() {
                  @Override
                  public void run() {
                      try {
                          Thread.sleep(1);
                      } catch (InterruptedException e) {
                          e.printStackTrace();
                      }
                      test.change();
                  }
              }).start();
  
              new Thread(new Runnable() {
                  @Override
                  public void run() {
                      try {
                          Thread.sleep(1);
                      } catch (InterruptedException e) {
                          e.printStackTrace();
                      }
                      test.print();
                  }
              }).start();
          }
  
      }
  
      private void print() {
          System.out.println("b= "+b+",a="+a);
      }
  
      private void change() {
          a=3;
          b=a;
      }
  }
  

• 结果分析

  正常情况

  b=2,a=1 先运行print线程，再运行change线程

  b=3,a=3 先运行change线程，再运行print线程

  b=2,a=3 先运行print线程，然后发生上下文切换运行change线程，再运行print线程

  异常情况

  b=3,a=1 change运行完了，但是print线程没看到a的变换

• 如何保证可见性

  依旧是volatile，这玩意还有可见性语义，此外还有JMM的灵魂happens-before也是来保证可见性，所谓的happens-before，简单来说这个原则规定动作A发生在动作B之前，那么动作B一定可以看见动作A，当然有着happens-before的synchronized也保证可见性，还有大家容易遗忘的final也能保证可见性，因为final的语义就是只要对象正确构造出来，那么任意线程都可以看见final初始化后的值且不变

4.happens-before原则

有几个规则

1. 单线程规则：单线程中先运行的对后运行的是可见的，注意这不与重排序矛盾
2. synchronized规则：先上锁的线程的操作结果对后上锁的线程是可见的
3. volatile规则
4. 线程启动规则：新启动的线程一定可以看见启动前操作的结果
5. 线程join规则：想想main函数等待其他函数是为啥，不就是图他们的结果嘛
6. happens-before是可以传递的
7. 工具类中也有happens-before

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