Java并发编程、内存模型与Volatile

http://www.importnew.com/24082.html volatile关键字

http://www.importnew.com/16142.html ConcurrentHashMap原理分析

http://www.importnew.com/19612.html Java内存模型

Java内存模型：

关键字：主存、工作内存；堆区、栈区（http://www.importnew.com/19612.html ）

在Java Memory Model中，Memory分为两类，main memory和working memory，main memory为所有线程共享，working memory中存放的是线程所需要的变量的拷贝（线程要对main memory中的内容进行操作的话，首先需要拷贝到自己的working memory，一般为了速度，working memory一般是在cpu的cache中的）。volatile的变量在被操作的时候不会产生working memory的拷贝，而是直接操作main memory，当然volatile虽然解决了变量的可见性问题，但没有解决变量操作的原子性的问题，这个还需要synchronized或者CAS相关操作配合进行。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。每条线程中还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程所使用到的变量（这些变量是从主内存中拷贝而来）。线程对变量的所有操作（读取，赋值）都必须在工作内存中进行。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

并发编程的三大概念：原子性，有序性，可见性。

可见性

也就说假设一个对象中有一个变量i，那么i是保存在main memory中的，当某一个线程要操作i的时候，首先需要从main memory中将i 加载到这个线程的working memory中，这个时候working memory中就有了一个i的拷贝，这个时候此线程对i的修改都在其working memory中，直到其将i从working memory写回到main memory中，新的i的值才能被其他线程所读取。从某个意义上说，可见性保证了各个线程的working memory的数据的一致性。可见性遵循下面一些规则：

当一个线程运行结束的时候，所有写的变量都会被flush回main memory中。
当一个线程第一次读取某个变量的时候，会从main memory中读取最新的。
volatile的变量会被立刻写到main memory中的，在jsr133中，对volatile的语义进行增强，后面会提到
当一个线程释放锁后，所有的变量的变化都会flush到main memory中，然后一个使用了这个相同的同步锁的进程，将会重新加载所有的使用到的变量，这样就保证了可见性。

原子性

还拿上面的例子来说，原子性就是当某一个线程修改i的值的时候，从取出i到将新的i的值写给i之间不能有其他线程对i进行任何操作。也就是说保证某个线程对i的操作是原子性的，这样就可以避免数据脏读。通过锁机制或者CAS（Compare And Set 需要硬件CPU的支持）操作可以保证操作的原子性。

有序性

假设在main memory中存在两个变量i和j，初始值都为0，在某个线程A的代码中依次对i和j进行自增操作（i，j的操作不相互依赖）

1 2	`i++;` `j++;`

由于，所以i,j修改操作的顺序可能会被重新排序。那么修改后的ij写到main memory中的时候，顺序可能就不是按照i，j的顺序了，这就是所谓的reordering，在单线程的情况下，当线程A运行结束的后i，j的值都加1了，在线程自己看来就好像是线程按照代码的顺序进行了运行（这些操作都是基于as-if-serial语义的），即使在实际运行过程中，i，j的自增可能被重新排序了，当然计算机也不能帮你乱排序，存在上下逻辑关联的运行顺序肯定还是不会变的。但是在多线程环境下，问题就不一样了，比如另一个线程B的代码如下

if(j==1) {

System.out.println(i);

}

按照我们的思维方式，当j为1的时候那么i肯定也是1，因为代码中i在j之前就自增了，但实际的情况有可能当j为1的时候i还是为0。这就是reordering产生的不好的后果，所以我们在某些时候为了避免这样的问题需要一些必要的策略，以保证多个线程一起工作的时候也存在一定的次序。JMM提供了happens-before 的排序策略。这样我们可以得到多线程环境下的as-if-serial语义。这里不对happens-before进行详细解释了,详细的请看这里http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp03304/，这里主要讲一下volatile在新的java内存模型下的变化，在jsr133之前，下面的代码可能会出现问题

Map configOptions;

char[] configText;

volatile boolean initialized = false;

// In Thread A

configOptions = new HashMap();

configText = readConfigFile(fileName);

processConfigOptions(configText, configOptions);

initialized = true;

// In Thread B

while (!initialized)

sleep();

// use configOptions

jsr133之前，虽然对 volatile 变量的读和写不能与对其他 volatile 变量的读和写一起重新排序，但是它们仍然可以与对 nonvolatile 变量的读写一起重新排序，所以上面的Thread A的操作，就可能initialized变成true的时候，而configOptions还没有被初始化，所以initialized先于configOptions被线程B看到，就产生问题了。

JSR 133 Expert Group 决定让 volatile 读写不能与其他内存操作一起重新排序，新的内存模型下，如果当线程 A 写入 volatile 变量 V 而线程 B 读取 V 时，那么在写入 V 时，A 可见的所有变量值现在都可以保证对 B 是可见的。

结果就是作用更大的 volatile 语义，代价是访问 volatile 字段时会对性能产生更大的影响。这一点在ConcurrentHashMap中的统计某个segment元素个数的count变量中使用到了。

深入理解volatile关键字

1.volatile保证可见性

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。

2）禁止进行指令重排序。

先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行：

//线程1

boolean stop = false;

while(!stop){

doSomething();

}

//线程2

stop = true;

这段代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上，这段代码会完全运行正确么？即一定会将线程中断么？不一定，也许在大多数时候，这个代码能够把线程中断，但是也有可能会导致无法中断线程（虽然这个可能性很小，但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了）。

下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过，每个线程在运行过程中都有自己的工作内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。

那么当线程2更改了stop变量的值之后，但是还没来得及写入主存当中，线程2转去做其他事情了，那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改，因此还会一直循环下去。

但是用volatile修饰之后就变得不一样了：

第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；

第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；

第三：由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

那么在线程2修改stop值时（当然这里包括2个操作，修改线程2工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效，然后线程1读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。

那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

2.volatile不能确保原子性

下面看一个例子：

public class Test {

public volatile int inc = 0;

public void increase() {

inc++;

}

public static void main(String[] args) {

final Test test = new Test();

for(int i=0;i<10;i++){

new Thread(){

public void run() {

for(int j=0;j<1000;j++)

test.increase();

};

}.start();

}

while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完

Thread.yield();

System.out.println(test.inc);

}

大家想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。

可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有10个线程分别进行了1000次操作，那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。

在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：

假如某个时刻变量inc的值为10，

线程1对变量进行自增操作，线程1先读取了变量inc的原始值，然后线程1被阻塞了；

然后线程2对变量进行自增操作，线程2也去读取变量inc的原始值，由于线程1只是对变量inc进行读取操作，而没有对变量进行修改操作，所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效，也不会导致主存中的值刷新，所以线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，然后进行加1操作，并把11写入工作内存，最后写入主存。

然后线程1接着进行加1操作，由于已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10，所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11，然后将11写入工作内存，最后写入主存。

那么两个线程分别进行了一次自增操作后，inc只增加了1。

根源就在这里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。

解决方案：可以通过synchronized或lock，进行加锁，来保证操作的原子性。也可以通过AtomicInteger。

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类，即对基本数据类型的自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的（Compare And Swap），CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。

3.volatile保证有序性

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保证有序性。

volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

1）当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定全部已经进行，且结果已经对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；

2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量的读操作或者写操作的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

可能上面说的比较绕，举个简单的例子：

//x、y为非volatile变量

//flag为volatile变量

x = 2; //语句1

y = 0; //语句2

flag = true; //语句3

x = 4; //语句4

y = -1; //语句5

由于flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句1、语句2前面，也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。

并且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2必定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。

那么我们回到前面举的一个例子：

//线程1:

context = loadContext(); //语句1

inited = true; //语句2

//线程2:

while(!inited ){

sleep()

}

doSomethingwithconfig(context);

前面举这个例子的时候，提到有可能语句2会在语句1之前执行，那么久可能导致context还没被初始化，而线程2中就使用未初始化的context去进行操作，导致程序出错。

这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了，因为当执行到语句2时，必定能保证context已经初始化完毕。

volatile的实现原理

1.可见性

处理器为了提高处理速度，不直接和内存进行通讯，而是将系统内存的数据独到内部缓存后再进行操作，但操作完后不知什么时候会写到内存。

如果对声明了volatile变量进行写操作时，JVM会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写会到系统内存。这一步确保了如果有其他线程对声明了volatile变量进行修改，则立即更新主内存中数据。

但这时候其他处理器的缓存还是旧的，所以在多处理器环境下，为了保证各个处理器缓存一致，每个处理会通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己的缓存是否过期，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改了，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作时，会强制重新从系统内存把数据读到处理器缓存里。这一步确保了其他线程获得的声明了volatile变量都是从主内存中获取最新的。

2.有序性

Lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成。

volatile的应用场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

1）对变量的写操作不依赖于当前值

2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。

①.状态标记量

volatile boolean flag = false;

//线程1

while(!flag){

doSomething();

}

//线程2

public void setFlag() {

flag = true;

}

根据状态标记，终止线程。

②.单例模式中的double check

class Singleton{

private volatile static Singleton instance = null;

private Singleton() {

}

public static Singleton getInstance() {

if(instance==null) {

synchronized (Singleton.class) {

if(instance==null)

instance = new Singleton();

}

return instance;

}

为什么要使用volatile 修饰instance？

主要在于instance = new Singleton()这句，这并非是一个原子操作，事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情:

1.给 instance 分配内存

2.调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量

3.将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）。

但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行之前，被线程二抢占了，这时 instance 已经是非 null 了（但却没有初始化），所以线程二会直接返回 instance，然后使用，然后顺理成章地报错。