Java内存模型 | synchronized与volatile

JMM

Java内存模型描述了Java程序中各种变量（共享变量）的访问规则，以及在JVM中将变量存储到内存和从内存中读取这些变量的底层细节。

• 主存：所有共享变量都保存在主存中。
• 工作内存：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的副本。

两条规定：

• 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，不能直接从主存中读写。
• 不同线程的工作内存之间无法直接相互访问，线程之间的变量传递，必须通过主存来完成。

可见性

首先了解一下什么是共享变量，假如一个变量被多个线程使用到，那么这个共享变量会在多个线程的工作内存中都存在副本。

当一个共享变量被一个线程修改，能够及时被其他线程看到，这叫做可见性。

要实现可见性，需要保证两点：

• 共享变量被修改后，能及时刷新到主存中去。
• 其他线程能及时将主存中更新的信息刷新到自己的工作内存中。

synchronized实现可见性

原子性：

通过互斥锁来实现。

可见性：

• 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主存中去。
• 线程加锁时，会清空当前工作内存中共享变量的值，从主存中重新独取最新的值。

流程：

1. 获得互斥锁
2. 清空工作内存
3. 从主存拷贝共享变量的最新副本到工作内存
4. 执行代码
5. 将更改后的共享变量的值刷新到主存
6. 释放互斥锁

指令重排序：

实际执行的代码顺序和程序员书写的顺序是不一样的，编译器或处理器为了提高性能，在不影响程序结果的前提下，会进行执行顺序的优化。

• 编译器优化重排序（编译器）
• 指令级并行重排序（处理器）
• 内存系统重排序（处理器）

as-if-serial语义:

• 无论怎么重排序，程序执行的结果必须是与未排序情况下一致的。（Java保证在单线程情况下遵循词语义）
• 多线程中程序交错执行时，重排序可能会导致内存可见性问题。

导致不可见的原因：

• 线程的交叉执行(原子性问题)
• 重排序结合线程交叉执行（原子性问题）
• 共享变量更新后的值，没有在工作内存和主存之间得到及时的更新。（可见性问题）

volatile实现可见性

能够保证volatile变量的可见性，但是不能保证volatile变量复合操作的原子性。
volatile通过加入内存屏障和禁止指令重排序来实现可见性的。对volatile变量执行写操作时，会在写入后加一条store的屏障指令；对volatile变量执行读操作时，会在读操作前加入一条load屏障指令。

线程写入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存

线程读volatile变量的过程：

1. 从主存中独取volatile变量的最新的值到工作内存中。
2. 从工作内存中独取变量的副本

volatile不能保证volatile变量符合操作的原子性：

举一个例子：

public class VolatileDemo{
    private volatile int num=0;
    public int getNumber(){
        return this.num;
    }
    public void increase(){
        this.num++;
    }
    
    public static void main(String[] args){
        final VolatileDemo v=new VolatileDemo();
        for(int i;i<500;i++){
            new Thread(new Runnable(){
            
            public void run(){
                v.increase();
            }
            }).start();
        }
        
        //主线程主动让出资源让500个子线程运行。这个‘1’指的是主线程
        while(Thread.activeCount()>1){
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(v.getNumber());
    }
}

这个程序是开启500个线程，每个线程执行一次increase()操作，给变量num加一。运行这个程序多次，发现并不是每次输出结果都是500。

发生了什么问题？

因为this.num++这条语句，其实是三步操作，不具备原子性。假设一个运行场景：

1. 此时num=1
2. 线程A读取num为1，A工作内存中num=1
3. 线程B独取num为1，B工作内存中num=1
4. 线程B进行加1操作，写入B工作内存，B工作内存中num=2，更新到主存，主存中num=2.
5. 线程A进行加1操作，写入A工作内存，A工作内存中num=2, 更新到主存，主存中num=2.

可见，进行了两次加1操作，但是主存中的num只增加了1。怎么解决呢？我们要保证num自增操作的原子性。

volatile注意事项

1. 对变量的写入操作不能依赖当前值。
2. 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

两者比较

1. volatile 不需要加锁，比synchronized更轻量级，不会阻塞线程。
2. 从可见性角度讲，volatile读相当于加锁，写相当于解锁。（前文提到的屏障指令）
3. synchronized可以保证原子性和可见性，volatile只保证了可见性。

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