细说Java多线程之内存可见性

背景：多线程

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。
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。

JAVA内存模型（JMM）

• 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副本（主内存中该变量的一份拷贝）

主内存和工作内存关系.png

• 线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，不能直接从主内存中读写。
• 不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来完成。

举个例子： 线程1对共享变量的修改想要被线程2及时看到，必须要经过如下2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

要实现共享变量的可见性，必须保证两点：

• 线程修改后的共享变量值能够及时从工作内存刷新到主内存中
• 其他线程能够及时把共享变量的最新值从主内存更新到自己的工作内存中

Java语言层面支持的可见性实现方式：

• synchronized
• volatile

synchronized

synchronized能够实现：

• 原子性（同步）
• 可见性

JMM关于synchronized的两条规定：

• 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中
• 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：加锁和解锁需要是同一把锁）

由以上两条规定，可以得出 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） 获取互斥锁
（2） 清空工作内存
（3） 从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存
（4） 执行互斥代码
（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

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性能而做的优化。

1. 编译器优化重排序（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）

重排序不会给单线程带来内存可见性问题
多线程中程序交错执行时，重排序可能会造成内存可见行问题

as-if-serial: 无论如何重排序，程序执行的结果应该与代码顺序执行的结果一致（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）

导致共享变量在线程间不可见的原因：
（1） 想成的交叉执行
（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与主内存间及时更新

volatile

volatile如何实现内存可见性：
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valatile变量执行读操作时，会在读写操作前加入一条load屏障指令

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

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不能保证原子性分析

简单的讲，volatile只能保证number的可见性，至于对number执行的多个操作是无法保证原子性的。

volatile使用注意事项
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其当前值

• 不满足： number++ ;   count = count+5; （count的值依赖count上一次的值。）
• 满足：boolean变量
  （2） 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
  两个volatile变量low和up，两个变量不能在同一个不变式中 比如 low<up

synchronized 和 volatitle比较

• volatile不需要加锁，比synchronized更轻量级，不会阻塞线程；
• 从内存可见性角度讲，volatile读相当于加锁，volatile写相当于解锁；
• synchronized既能保证可见性，又能保证原子性，而volatile只能保证可见性，无法保证原子性。

 
 
PS: 共享数据的访问权限都必须定义为private