Java多线程之内存可见性

一、Java内存模型介绍

什么是JMM？

Java内存模型（Java Memory Model）描述了Java程序中各种变量（线程共享变量）的访问规则，以及在JVM中将变量存储到内存和从内存中读取出变量这样的细节

所有的变量都存储在主内存中

每个线程都有自己独立的工作内存，里面保存该线程使用到的变量的副本（主内存中该变量的一份拷贝）

如下图所示：

两条规定

线程对共享变量的所有操作必须在自己的工作内存中进行，不能直接从主内从中读写

不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量，线程间变量值得传递需要通过主内存来完成。

那么什么是共享变量？

如果一个变量在多个线程的工作内存中都存在副本，那么这个变量就是这几个线程的共享变量

二、可见性介绍

什么是可见性？

一个线程对共享变量的修改，能够及时地被其他线程看到。

实现共享变量可见性的前提

线程修改后的共享变量能够及时的从工作内存中刷新到主内存中

其他线程能够及时把共享变量的最新值从主内存中更新到自己的工作内存中

　　共享变量可见性的实现原理

如图所示，线程1对共享变量的修改要想被线程2及时看到，必须要经过如下两个步骤：

①把工作内存1中更新过的共享变量刷新到主内存中

②将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中

　　什么是指令重排序？

代码书写的顺序与实际执行的顺序不同，指令重排序是编译器或处理器为了提高程序的性能而做的优化

①编译器优化的重排序（编译器优化）

②指令级并行重排序（处理器优化）

③内存系统的重排序（处理器优化）

as-if-serial语义

无论如何重排序，程序执行的结果应该与代码顺序结果一致（Java编译器运行时和处理器都会保证Java在单线程下遵循as-if-serial语义）

如下三行代码：

int num = 1; 　　　　　　//第一行代码

int num2 = 2;　　　　　  //第二行代码

int sum = num1 + num2;  //第三行代码

单线程：第1、2行的顺序可以重排，但第三行不能

重排序不会给内存带来可见性问题

多线程中程序交错执行时，重排序可能会造成内存可见性问题

　　导致共享变量在线程间不可见的原因：

①线程的交叉执行

②重排序结合线程交叉执行

③共享变量更新后的值没有在工作内存中与主内存间及时更新

　　可见性的实现方式：

JAVA语言层面支持的可见性的实现方式：

①synchronized

②volatile

三、synchronized实现可见性

synchronized实现可见性

原子性（同步）、可见性，如下表格

不可见的原因

synchronized解决方案

线程的交叉执行

原子性

重排序结合线程交叉执行

原子性

共享变量未及时更新

可见性

　　JMM关于synchronized的两条规定

①线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中

②线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值（注意：加锁与解锁需要是同一把锁）

总而言之，也就是线程解锁前对共享变量的修改在下次加锁时对其他线程可见

　　线程执行互斥代码的过程

①获得互斥锁

②清空工作内存

③从主内存拷贝变量的的最新副本到工作内存中

④执行代码

⑤将更改后的共享变量的值刷新到主内存中

⑥释放互斥锁

代码分析

1 1 package me.demo.memoryModel;
2 2 
3 3 public class SynchronizedDemo {
4 4     // 共享变量
5 5     private boolean ready = false;
6 6     private int result = 0;
7 7     private int number = 1;
8 8 
9 9     // 写操作
1010     public void write() {
1111     ready = true; // 1.1
1212     number = 2; // 1.2
1313     }
1414 
1515     // 读操作
1616     public void read() {
1717     if (ready) { // 2.1
1818         result = number * 3; // 2.2
1919     }
2020     System.out.println("result的值为：" + result);
2121     }
2222 
2323     // 内部线程类
2424     private class ReadWriteThread extends Thread {
2525     // 根据构造方法中传入的flag参数，确定线程执行读操作还是写操作
2626     private boolean flag;
2727 
2828     public ReadWriteThread(boolean flag) {
2929         this.flag = flag;
3030     }
3131 
3232     @Override
3333     public void run() {
3434         if (flag) {
3535         // 构造方法中传入true，执行写操作
3636         write();
3737         } else {
3838         // 构造方法中传入false，执行读操作
3939         read();
4040         }
4141     }
4242     }
4343 
4444     public static void main(String[] args) {
4545     SynchronizedDemo synDemo = new SynchronizedDemo();
4646     // 启动线程执行写操作
4747     synDemo.new ReadWriteThread(true).start();
4848     try {
4949         Thread.sleep(1000);
5050     } catch (InterruptedException e) {
5151         e.printStackTrace();
5252     }
5353     // 启动线程执行读操作
5454     synDemo.new ReadWriteThread(false).start();
5555     }
5656 }

View Code

如上代码，main方法中，也就是主线程中先后启动我们模拟的写操作和读操作，中间当前执行的线程休眠1秒，我们在给write方法和read方法没有加synchronized修饰之前，也就是没有加锁之前，由于写线程和读线程相继争用CPU资源，read或write方法的执行可能不是由一个线程来完整的完成的，这就造成对于三个共享变量ready，result和number的值的改变的随机性和不确定性，这样很容易导致共享变量不可见，因而read方法打印的result的值可能是0或其他值（正常情况下打印结果是6）

如果加上synchronized修饰，也就是给write和read方法加上锁，也就是保证了共享变量的原子性和可见性，控制台会打印正常结果。

四、volatile实现可见性

volatile关键字：

能够保证volatile变量的可见性，不能保证volatile变量复合操作的原子性

例如：定义一个int型变量number；并执行number++；显然number++不是原子操作

大概可分为这三个步骤：读取number的值，将number的值加1，写入最新的number的值。

如下表格所示：

关键字

volatile

synchronized

实现方式

private volatile int number = 0;

number ++；

private int number = 0；

synchronized(this){

number++;

}

是否保证可见性

是

是

是否保证原子性

否

是

即volatile变量，无法保证原子性，加入synchronized变为原子操作

volatile如何实现内存可见性？

①深入来说：通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现的：

对volatile变量执行写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令

对volatile变量执行读操作时，会在读操作前加入一条load屏障指令

②通俗地讲：volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主存中重读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫线程将最新的值刷新到主内存。这样任何时刻，不同的变量总能看到该变量的最新值

　　线程写volatile变量的过程

①改变线程工作内存中volatile变量副本的值

②将改变后的副本的值从工作内存中刷新到主内存

　　线程读volatile变量的过程

①从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中

②从工作内存中读取volatile变量的副本

　　volatile适用场合

要在多线程中安全的使用volatile变量，必须同时满足：

①对变量的写入操作不依赖当前的值

不满足：number++、count = count*5等

满足：Boolean变量、记录温度变化的变量等

②该变量没有包含在具有其他变量的不变式中，即一个表达式中不能同时含有两个或两个以上的volatile变量。

不满足：不变式low<up

例如这里面有两个VOLATILE变量，它包含了一个不变式就是LOW<UP（ if (value > upper) 和   if (value < low) ）

public class A {

private volatile int low=0；

private volatile int up=100;

public int getLow() { return low; }

public int getUp() { return up; }

public void setLow(int value) {

if (value > upper)

system.out.print(".......");

low = value;

}

public void setUp(int value) {

if (value < low)

system.out.print(".......");

up = value;

}

}

初始值是0和100，如果有两个线程同时操作set函数，一比如A线程操作setlow(4),B线程setup(3),最后结果是4和3。

代码分析

1 1 package me.demo.vol;
2 2 
3 3 import java.util.concurrent.locks.Lock;
4 4 import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
5 5 
6 6 public class VolatileDemo {
7 7 
8 8     /**
9 9      * 第一种方案
1010      * private volatile int number = 0; 
1111      * volatile只能保证number的可见性
1212      * 不能保证number++操作的原子性
1313      */
1414     private int number = 0;
1515     
1616     /**
1717      * 第三种方案：
1818      * 使用jdk1.5新特性
1919      */
2020     private Lock lock = new ReentrantLock();
2121 
2222     public int getNumber() {
2323     return number;
2424     }
2525 
2626     /**
2727      * 第二种方案：
2828      * 用synchronized关键字保证number变量在线程中的可见性 
2929      * 也保证了number++操作的原子性
3030      */
3131     public void increase() {
3232     try {
3333         Thread.sleep(100);
3434     } catch (InterruptedException e) {
3535         e.printStackTrace();
3636     }
3737     /**
3838      * 缩小锁的粒度
3939      * synchronized (this) {
4040      *  this.number++;
4141      * }
4242      */
4343     //和synchronized的效果一样
4444     lock.lock();
4545     try {
4646         this.number++;
4747     } finally {
4848         lock.unlock();
4949     }
5050     }
5151 
5252     public static void main(String[] args) {
5353     VolatileDemo volatileDemo = new VolatileDemo();
5454     for (int i = 0; i < 500; i++) {
5555         new Thread(new Runnable() {
5656         @Override
5757         public void run() {
5858             volatileDemo.increase();
5959         }
6060         }).start();
6161     }
6262     /**
6363      * 如果还有子线程在运行，主线成就让出CPU资源 直到所有的子线程都运行完了，主线程再继续往下执行
6464      */
6565     while (Thread.activeCount() > 1) {
6666         Thread.yield();
6767     }
6868     System.out.println("number:" + volatileDemo.getNumber());
6969     }
7070 }

View Code

　　要说的都在代码注释中了，大家可根据运行结果详细分析（今天实在太累了，以后在做补充吧，有什么问题欢迎评论区留言）

五、总结

　　volatile和synchronized两种方式实现可见性的对比

①volatile不需要加锁，比synchronized更轻量级，不会阻塞线程；

②从内从可见性角度讲，volatile读相当于加锁，volatile写相当于解锁

③synchronized即可保证可见性，又能保证原子性，而volatile只能保证可见性，无法保证原子性。

大家可能出现的的疑问

①为什么即使没有保证可见性的措施，很多时候共享变量依然能够在主内存和工作内存中见得到及时更新？

一般只有在短时间内高并发的情况下才会出现变量得不到及时更新的情况，因为CPU在执行时会很快的刷新缓存，所以一般情况下很难看到这种问题。

②对64为（long，double）变量的读写可能不是原子操作？

Java内存模型允许JVM将没有被volatile修饰的64位数据类型的读写操作划分为两次32位的读写操作来执行

导致问题：有可能会出现读到“半个变量”得情况（大多情况下JVM将这个问题作了优化）

解决方法：加volatile关键字

③那么问题就来了，在之前讲解中，volatile变量并不能保证原子性，为何对64位变量通过加volatile关键字来保证原子操作呢？

volatile本身不保证获取和设置操作的原子性，仅仅保持修改的可见性，但是Java内存模型保证声明为volatile的long和double变量的get和set操作是原子的。

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