浅析 java 内存模型、volatile

1. 主内存和工作内存

• 1.1Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样底层细节。此处的变量与Java编程时所说的变量不一样，指包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量与方法参数，后者是线程私有的，不会被共享。

• 1.2 Java内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量到主内存副本拷贝，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，而不能直接读写主内存中的变量。不同线程之间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在主内存来完成，线程、主内存和工作内存的交互关系如下图所示。这里的所讲的主内存和工作内存和java中的堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存内存划分，两者上基本没有任何关系。
  

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2. 内存间交互操作

• 2.1 关于主内存与工作内存之间的具体交互、即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节，java内存模型定义了一下8中操作来完成.

2.1.1 lock (锁定) ：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
2.1.2 unlock（解锁）： 作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放出来后的变量才可以被其他线程锁定。
2.1.3 read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。
2.1.4 load（加载）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存得到的变量值放入工作内存的副本中。
2.1.5 use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中的一个变量传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时执行这个操作。
2.1.6 assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值付给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
2.1.7 store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
2.1.8 write（写入）：作用于工作内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值写入到主内存中。

• 2.2 如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺寻地执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也就是read和load之间，store和write之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，可能的顺序是read a，read b，load b， load a。Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

2.2.1 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。
2.2.2 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
2.2.3 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
2.2.4 一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
2.2.5 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，lock和unlock必须成对出现
2.2.6 如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值
2.2.7 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
2.2.8 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）。

3. volatile型变量的特殊规则

• 3.1 java内存模型对volatile专门定义了一些特殊规则，当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性：

3.1.1 可见性。对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。
3.1.2 原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

public class T {
    //线程的可见性
    public static boolean f;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int i = 0;
                while (true) {
                    if (f) {
                     //当控制台输入true的时候 永远不会打印出ok 如果把 f定义为volatile 就可以无限制的打印ok
                        System.out.println("OK");
                    }
                }
            }
        }).start();
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        while (true) {
            String st = sc.nextLine();//获取输入信息
            if (st.equals("true")) {
               //当输入true的时候 f = true 
                f = true;
            } else if (st.equals("false")) {
                f = false;
            }
        }
    }
}

• 3.2 使用volatile变量将禁止重排序优化，简单的讲一下重排序，虚拟机为了编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

    Map confingOption;
    //initialized 没有被修饰成volatile 就有可能由于指定重排优化
    boolean initialized = false;

    public void read() {
        confingOption = new HashMap();
        confingOption.put("user", "root");
        confingOption.put("pwd", "123456");
        initialized = true;
        //正常的情况是顺序执行初始化
        //confingOption 存入user、pwd 
        //然后 initialized = true
        //但是由于指令重排优化 首先initialized = true、然后confingOption 存入user、pwd 
    }

    public void init() {
        while (!initialized) {
            sleep();
        }
        //如果initialized = true 先被执行那么user可能就会是null 
       //因为confingOption可能还没有来得及 设置 用户和密码
        String user = (String) confingOption.get("user");
    }
    public static void main(String[] args){
        read();
        init();
    }