【Java并发】1. Java线程内存模型JMM及volatile相关知识

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  该系列用于汇集Java招聘需要的知识点

JMM

并发编程的三大特性：可见性(volatile)、有序性(volatile)、原子性(synchronized)

• JMM跟CPU缓存模型相似，是基于CPU缓存模型来建立的，是标准化的，屏蔽了不同计算机的区别
• JMM隶属于JVM，定义了线程与主内存间的抽象关系，线程间的共享变量存放于主内存
• 每个线程均有私有工作内存(JMM抽象概念，实际不存在)，工作内存包含了该线程读写共享变量的副本。如果需要使得变量其他线程可访问，需要加volatile修饰
• 线程实际操作的数据均为其工作内存的变量副本，所以会出现多线程里相同变量无法同步

JMM八大原子操作及volatile的可见性原理

JMM八大原子操作是：lock（锁定）、unlock（解锁）、read（读取）、load（载入）、use（使用）、assign（赋值）、store（存储）、write（写入）。

有如下案例，当flag有volatile修饰时，执行main函数，将输出"flag值已改"；无volatile修饰时则A线程一直死循环

public class Demo {
  // 没有volatile修饰时，B线程对flag的改动，A线程是不可见的
  // 有volatile修饰时，B线程对flag的改动对A线程同样可见
  private static boolean flag = false;
  public static void setFlag(){
    flag = true;
  }

  public static void main(String[] args){
    // A 线程，死循环检查flag的值，如果发生改变，则退出死循环
    new Thread(() -> {
      while(!flag);
      System.out.println("flag值已改");
    }).start();
    // B 线程，改变flag的值
    new Thread(() -> {
      setFlag();
    }).start();
  }
}

• 在不加volatile修饰时，线程A的JMM操作流程

  • 主内存里有共享变量flag=false
  • read操作：将变量从主内存里读取到线程的工作内存中
  • load操作：将read读取的值从工作内存放到工作内存里的副本变量中
  • use操作：将副本变量传递给cpu使用(例子里A线程需要对falg进行取反操作，即使用use从副本变量里取得flag到cpu，再进行取反计算)
  • 由于A线程在死循环里，所以每次循环检查flag的值时，均会直接从副本变量里取得flag值

• 在不加volatile修饰时，线程B的JMM操作流程

  • 主内存里有共享变量flag=false
  • read操作：将变量从主内存里读取到线程的工作内存中
  • load操作：将read读取的值从工作内存放到工作内存里的副本变量中
  • use操作：将副本变量传递给cpu使用
  • assign操作：B线程将flag设置为了true，此时触发assign操作，将cpu计算所得值赋值给工作内存里的变量副本中
  • store操作：将工作内存里的共享变量传入主内存
  • write操作：将store传送的值写道主内存变量里，至此主内存内flag=true
  • 所以B线程对共享变量的修改，无法同步到A线程

• volatile实现共享变量可见的原理

  • 了解JVM的都知道volatile具备两个特殊规则：

    • read、load、use动作必须连续出现
      
      这三个操作将数据从主内存读取到cpu
    • assign、store、write动作必须连续出现
      
      这三个操作将数据从cpu写回到主内存，也即是赋值语句会马上更新到主内存中去

  • 对变量加了volatile指令后，编译成的汇编指令里会给赋值语句加入lock前缀指令。作用如下：

    • 被volatile修饰的变量，在某线程里其数据在工作内存中但凡出现变动，将被立即写回主内存(相当于JMM操作assign、store、write必须连续出现)
    • 开启缓存一致性协议，数据回写主内存的操作会引起其他线程里对应缓存数据立即失效(工作内存里的对应变量失效)。此时其他线程需要重新从主内存读取变量，这样就确保了其他线程读取到了最新的数据
    • 提供内存屏障功能，使lock指令前后的指令不能重新排序(volatile有序性的原理)

volatile的有序性原理

• 指令重排序

  在不影响单线程执行结果(多线程不保证)的情况下，计算机为了优化性能，会对机器指令进行重新排序优化。重排序遵循as-if-serial和happens-before原则

  • as-if-serial：重排序不影响单线程执行结果
  • happens-before：定义了一些规则来遵循

• 对象半初始化问题

  对于双重检查锁单例模式，如下代码，在执行lazy = new Singleton();语句时，是有可能被指令重排序的。假设A线程由于重排序，在未初始化完成的情况下，先给lazy赋值了，恰巧赋值后B线程也执行getInstance方法，获取到了不为null的lazy变量，而这时候A线程却并没有初始化完毕单例对象，则B线程将使用半初始化的单例对象，造成错误。这就是经典的对象半初始化问题
  
  对于此问题，只需要在单例变量lazy声明时用volatile修饰即可解决，因为volatile禁止指令重排序

  public class Singleton {
    private volatile static Singleton lazy = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
      if(lazy == null){
        synchronized (Singleton.class){
          if(lazy == null){
            //1.分配内存给这个对象
            //2.初始化对象
            //3.设置 lazy 指向刚分配的内存地址
            lazy = new Singleton();
          }
        }
      }
      return lazy;
    }
  }
  

• volatile关键字通过“内存屏障”来防止指令被重排序，内存屏障底层依旧是通过汇编的lock来实现的

  • JMM内存屏障规范

    • LoadLoad：[Load1;LoadLoad;Load2] 保证load1的读操作在load2及后续读操作前执行
    • StoreStore：保证Store1写操作已刷新至主内存，才进行后续的Store操作
    • LoadStore：保证Load1读取结束后，后续的Store才进行
    • StoreLoad：保证Store1写操作已刷新到主内存后，才进行后续的Load操作

  • JVM要求volatile需要执行的内存屏障规范

    • 在每个volatile写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障。
    • 在每个volatile写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障。
    • 在每个volatile读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障。
    • 在每个volatile读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障。

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