Java虚拟机：JVM内存模型和volatile详解

JVM内存模型和volatile详解

Java内存模型

随着计算机的CPU的飞速发展，CPU的运算能力已经远远超出了从主内存（运行内存）中读取的数据的能力，为了解决这个问题，CPU厂商设计出了CPU内置高速缓存区。高速缓存区的加入使得CPU在运算的过程中直接从高速缓存区读取数据，在一定程度上解决了性能的问题。但也引起了另外一个问题，在CPU多核的情况下，每个处理器都有自己的缓存区，数据如何保持一致性。为了保证多核处理器的数据一致性，引入多处理器的数据一致性的协议，这些协议包括MOSI、Synapse、Firely、DragonProtocol等。

JVM在执行多线程任务时，共享数据保存在主内存中，每一个线程（执行再不同的处理器）有自己的高速缓存，线程对共享数据进行修改的时候，首先是从主内存拷贝到线程的高速缓存，修改之后，然后从高速缓存再拷贝到主内存。当有多个线程执行这样的操作的时候，会导致共享数据出现不可预期的错误。

举个例子：

i++;//操作

这个i++操作，线程首先从主内存读取i的值，比如i=0，然后复制到自己的高速缓存区，进行i++操作，最后将操作后的结果从高速缓存区复制到主内存中。如果是两个线程通过操作i++,预期的结果是2。这时结果真的为2吗？答案是否定的。线程1读取主内存的i=0,复制到自己的高速缓存区，这时线程2也读取i=0,复制到自己的高速缓存区，进行i++操作，怎么最终得到的结构为1，而不是2。

为了解决缓存不一致的问题，有两种解决方案：

• 在总线加锁，即同时只有一个线程能执行i++操作（包括读取、修改等）。
• 通过缓存一致性协议

第一种方式就没什么好说的，就是同步代码块或者同步方法。也就只能一个线程能进行对共享数据的读取和修改，其他线程处于线程阻塞状态。
第二种方式就是缓存一致性协议，比如Intel 的MESI协议，它的核心思想就是当某个处理器写变量的数据，如果其他处理器也存在这个变量，会发出信号量通知该处理器高速缓存的数据设置为无效状态。当其他处理需要读取该变量的时候，会让其重新从主内存中读，然后再复制到高速缓存区。

编发编程的概念

并发编程的有三个概念，包括原子性、可见性、有序性。

原子性

原子性是指，操作为原子性的，要么成功，要么失败，不存在第三种情况。比如：

String s="abc";

这个复杂操作是原子性的。再比如：

int i=0;
i++;

i=0这是一个赋值操作，这一步是原子性操作；那么i++是原子性操作吗？当然不是，首先它需要读取i=0，然后需要执行运算，写入i的新值1，它包含了读取和写入两个步骤，所以不是原子性操作。

可见性

可见性是指共享数据的时候，一个线程修改了数据，其他线程知道数据被修改，会重新读取最新的主存的数据。
举个例子：

i=0;//主内存

i++;//线程1

j=i;//线程2

线程1修改了i值，但是没有将i值复制到主内存中，线程2读取i的值，并将i的值赋值给j,我们期望j=1,但是由于线程1修改了，没有来得及复制到主内存中，线程2读取了i,并赋值给j，这时j的值为0。
也就是线程i值被修改，其他线程并不知道。

有序性

是指代码执行的有序性，因为代码有可能发生指令重排序（Instruction Reorder）。

Java 语言提供了 volatile 和 synchronized 两个关键字来线程代码操作的有序性，volatile 是因为其本身包含“禁止指令重排序”的语义，synchronized 在单线程中执行代码，无论指令是否重排，最终的执行结果是一致的。

volatile详解

volatile关键字作用

被volatile关键字修饰变量，起到了2个作用：

1.某个线程修改了被volatile关键字修饰变量是，根据数据一致性的协议，通过信号量，更改其他线程的高速缓存中volatile关键字修饰变量状态为无效状态，其他线程如果需要重写读取该变量会再次从主内存中读取，而不是读取自己的高速缓存中的。

2.被volatile关键字修饰变量不会指令重排序。

volatile能够保证可见性和防止指令重排

在Java并发编程实战一书中有这样

public class NoVisibility {
    private static boolean ready;
    private static int a;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new ReadThread().start();
        Thread.sleep(100);
        a = 32;
        ready = true;


    }

    private static class ReadThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (!ready) {
                Thread.yield();
            }
            System.out.println(a);
        }
    }
}

在上述代码中，有可能（概率非常小，但是有这种可能性）永远不会打印a的值，因为线程ReadThread读取了主内存的ready为false,主线程虽然更新了ready，但是ReadThread的高速缓存中并没有更新。
另外：

a = 32;

ready = true;

这两行代码有可能发生指令重排。也就是可以打印出a的值为0。

如果在变量加上volatile关键字，可以防止上述两种不正常的情况的发生。

volatile不能保证原子性

首先用一段代码测试下，开起了10个线程，这10个线程共享一个变量inc（被volatile修饰），并在每个线程循环1000次对inc进行inc++操作。我们预期的结果是10000.

public class VolatileTest {


    public volatile int inc = 0;

    public void increase() {
        inc++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final VolatileTest test = new VolatileTest();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++)
                    test.increase();
            }).start();
        }
        //保证前面的线程都执行完
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println(test.inc);
    }

}

多次运行main函数，你会发现结果永远都不会为10000，都是小于10000。可能有这样的疑问，volatile保证了共享数据的可见性，线程1修改了inc变量线程2会重新从主内存中重新读，这样就能保证inc++的正确性了啊，可为什么没有得到我们预期的结果呢？

在之前已经讲述过inc++这样的操作不是一个原子性操作，它分为读、加加、写。一种情况，当线程1读取了inc的值，还没有修改，线程2也读取了，线程1修改完了，通知线程2将线程的缓存的 inc的值无效需要重读，可这时它不需要读取inc ，它仍执行写操作，然后赋值给主线程，这时数据就会出现问题。

所以volatile不能保证原子性 。这时需要用锁来保证,在increase方法加上synchronized，重新运行打印的结果为10000 。

 public synchronized void increase() {
        inc++;
}

volatile的使用场景

状态标记

volatile最常见的使用场景是状态标记，如下：

private volatile boolean asheep ;

//线程1

while(!asleep){
    countSheep();
}

//线程2
asheep=true;

防止指令重排

volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();  
inited = true;  
//上面两行代码如果不用volatile修饰，可能会发生指令重排，导致报错

//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

happens-before

从jdk5开始，java使用新的JSR-133内存模型，基于happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。

在JMM中，如果一个操作的执行结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在happens-before关系，这个的两个操作既可以在同一个线程，也可以在不同的两个线程中。

与程序员密切相关的happens-before规则如下：
– 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中任意的后续操作。
– 监视器锁规则：对一个锁的解锁操作，happens-before于随后对这个锁的加锁操作。
– volatile域规则：对一个volatile域的写操作，happens-before于任意线程后续对这个volatile域的读。
– 传递性规则：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么A happens-before C。

注意：两个操作之间具有happens-before关系，并不意味前一个操作必须要在后一个操作之前执行！仅仅要求前一个操作的执行结果，对于后一个操作是可见的，且前一个操作按顺序排在后一个操作之前。

参考资料

《Java 并发编程实战》

《深入理解JVM》

海子的博客：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html