什么是JMM模型
Java内存模型(Java Memory Model简称JMM)是一种抽象的概念，并不真实存在，它描 述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量(包括实例字段，静态字段和构 成数组对象的元素)的访问方式。JMM屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能得到一致效果的机制及规范。目的是解决由于多线程通过共享内存进行通信时，存在的原子性、可见性（缓存一致性）以及有序性问题。
JMM是围绕原子性，可见性，有序性展开，那么什么是原子性，可见性，有序性？
原子性
原子性指的是一个操作是不可中断的，即使是在多线程环境下，一个操作一旦开始就不会被其他线程影响。
多线程中可能出现的问题：
线程是CPU调度的基本单位。CPU有时间片的概念，会根据不同的调度算法进行线程调度。所以在多线程场景下，就会发生原子性问题。因为线程在执行一个读改写操作时，在执行完读改之后，时间片耗完，就会被要求放弃CPU，并等待重新调度。这种情况下，读改写就不是一个原子操作。即存在原子性问题。
可见性
可见性指的是当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程是否能够马上得知这个修改的值。
对于串行程序来说，可见性是不存在的，因为我们在任何一个操作中修改了某个变量的值，后续的操作中都能读取这个变量值，并且是修改过的新值。
但在多线程环境中可就不一定了，由于线程对共享变量的操作都是线程 拷贝到各自的工作内存进行操作后才写回到主内存中的，这就可能存在一个线程A修改了共享 变量x的值，还未写回主内存时，另外一个线程B又对主内存中同一个共享变量x进行操作，但此时A线程工作内存中共享变量x对线程B来说并不可见，这种工作内存与主内存同步延迟现象 就造成了可见性问题，另外指令重排以及编译器优化也可能导致可见性问题，无论是编译器优化还是处理器优化的重排现象，在多线程环境下，确实会导致程 序轮序执行的问题，从而也就导致可见性问题。
有序性
程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
我们总是认为代码的执行是按顺序依次执行的，这样 的理解并没有毛病，毕竟对于单线程而言确实如此，但对于多线程环境，则可能出现乱序现象，因为程序编译成机器码指令后可能会出现指令重排现象，重排后的指令与原指令的顺序未必一致。
多CPU多级缓存会导致缓存一致性问题，CPU时间片会导致原子性问题，指令重排会出现有序性问题，所以，为了保证并满足并发编程中的原子性、可见性、有序性，就产生了一个重要的概念————内存模型
一个变量如何从主内存拷贝到内存，如何从工作内存到主内存之间的同步实现细节，Java内存模型定义了以下八种操作来完成：
- lock(锁定)：作用于主内存的变量，把一个变量标记为一条线程独占状态
- unlock(解锁)：作用于主内存的变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的 变量才可以被其他线程锁定
- read(读取)：作用于主内存的变量，把一个变量值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
- load(加载)：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作 内存的变量副本中
- use(使用)：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎
- 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赋给工作内存 的变量
- store(存储)：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中， 以便随后的write的操作
- write(写入)：作用于工作内存的变量，它把store操作从工作内存中的一个变量的值传送 到主内存的变量中
如果把一个变量从主内存中复制到工作内存中，就需要按顺序的执行read和load操作，如果需要把工作内存中的变量同步回主内存中，则需要按照顺序的执行store、write操作，但是Java内存模型只要求上述操作必须按照顺序执行，没有要求必须连续执行。
JMM示意图
如上图所示，必须按照 read — load — use 顺序执行，但是不一定会连续执行。
同步规则
1、不允许一个线程无原因的（没有发生任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
2、一个新变量只能在主内存中产生，不允许工作内存中直接使用一个未被初始化的（没有被load或者assign）变量。即：对一个变量use或者store之前，必须先自行load或者assign操作。
3、一个变量在同一时刻只允许被一个线程lock，但lock操作可以被同一个线程重复执行多次，多次执行lock操作后，必须执行相同次数的unlock，变量才会被解锁。即：lock和unlock必须成对出现。
4、如果对一个变量执行lock时，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用此变量之前，需要重新load或者assign操作重新初始化变量的值。
5、如果一个变量事先没有被lock操作，则不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程lock的变量。
6、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，即：必须执行store和write操作。
JMM如何解决原子性&可见性&有序性问题
- 原子性问题
在Java中，提供了两个高级的字节码执行：monitorenter 和 monitorexit来保证原子性。在Java中可以通过synchronized 和 Lock 实现原子性。synchronized 和 lock 可以保证任何时候只有一个线程访问该代码块。
- 可见性问题
volatile关键字保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值立即被其他的线程看到，即修改的值立即更新到主存中，当其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。synchronized 和 Lock 也可以保证可见性，因为它们可以保证任一时刻只有一个线程能访问共享资源，并在其释放锁之前将修改的变量刷新到内存中。
- 有序性问题
在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的代码执行的有序性（在编译器编译时，会加上#Lock的字节码保证编译顺序）。另外可以通过 synchronized 和 Lock 来保证有序性，很显然，synchronized 和 Lock 保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就 保证了有序性。
到这里我们可以发现，好像 synchronized 和 Lock 是万能的，他们可以同时满足以上三种特性，所以就导致了现在很多人滥用synchronized 和 lock的原因。但是synchronized比较影响性能，虽然编译器提供了很多种锁优化技术，但还是不建议过度使用。
总结：
JMM是一种规范，用来解决多线程通过共享内存进行通信时，与存在的本地内存中数据不一致，编译器会对代码进行指令重排、处理器会乱序执行代码等带来的问题，目的就是保证并发场景中原子性，可见性，有序性。
volitale
volatile 是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制。volatile关键字有如下两个作用
1、保证被volatile修饰的共享变量对所有线程总数可见的，也就是当一个线程修改了一个被volatile修饰共享变量的值，新值总是可以被其他线程立即得知。
2、禁止指令重排序优化。
volitale的可见性
关于volatile的可见性作用，我们必须意识到被volatile修饰的变量对所有线程总数立即可见的，对volatile变量的所有写操作总是能立刻反应到其他线程中。
private volatile boolean initFlag = false;
private static Object object = new Object();
public void refresh(){
this.initFlag = true;
String threadName = Thread.currentThread().getName();
System.out.println("线程："+threadName+": 修改共享变量initFlag");
}
public void load(){
String threadName = Thread.currentThread().getName();
int i = 0;
// 程序在此空跑，由于 volatile 修饰 initFlag,所以会一直嗅探其他线程对 initFlag 的修改
while (!initFlag){
/*
synchronized (object){
i++;
}
System.out.println(i);
*/
}
System.out.println("线程："+threadName+" 当前线程嗅探到initFlag的状态值改变");
}
public static void main(String[] args) {
TestThread testThread = new TestThread();
Thread threadA = new Thread(()->{
testThread.refresh();
},"threadA");
Thread threadB = new Thread(()->{
testThread.load();
},"threadB");
threadB.start();
try {
Thread.sleep(2000);
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
threadA.start();
}
上面的示例可以看到，一共创建两个线程，线程A(threadA)去修改initFlag的值，线程B(threadB)在等其他线程修改initFlag后，跳出自旋（while (!initFlag))，线程A改变initFlag属性之后，线程B马上感知到。
volitale无法保证原子性
public static volatile int i = 0;
public static void increase(){
i++;
}
在并发场景下，i变量的任何改变都会立马反应到其他线程中，但是如此存在多条线程同时 调用increase()方法的话，就会出现线程安全问题，毕竟i++;操作并不具备原子性，该操作是 先读取值，然后写回一个新值，相当于原来的值加上1，分两步完成，如果第二个线程在第一 个线程读取旧值和写回新值期间读取i的域值，那么第二个线程就会与第一个线程一起看到同一 个值，并执行相同值的加1操作，这也就造成了线程安全失败，因此对于increase方法必须使 用synchronized修饰，以便保证线程安全，需要注意的是一旦使用synchronized修饰方法 后，由于synchronized本身也具备与volatile相同的特性，即可见性，因此在这样种情况下就 完全可以省去volatile修饰变量。
volatile禁止重排优化
volatile关键字另一个作用就是禁止指令重排优化，从而避免多线程环境下程序出现乱序执行的现象，下面主要简单说明一下volatile是如何实现禁止指令重排优化的。先了解一个概念，内存屏障(Memory Barrier)。
内存屏障，又称内存栅栏，是一个CPU指令，它的作用有两个，一是保证特定操作的执行 顺序，二是保证某些变量的内存可见性(利用该特性实现volatile的内存可见性)。由于编译 器和处理器都能执行指令重排优化。如果在指令间插入一条Memory Barrier则会告诉编译器 和CPU，不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序，也就是说通过插入内存屏 障禁止在内存屏障前后的指令执行重排序优化。Memory Barrier的另外一个作用是强制刷出 各种CPU的缓存数据，因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。总之， volatile变量正是通过内存屏障实现其在内存中的语义，即可见性和禁止重排优化。下面看一个非常典型的禁止重排优化的例子DCL
public static DoubleCheckLock instance;
private DoubleCheckLock(){}
public static DoubleCheckLock getInstance(){
// 第一次判断
if(instance == null){
// 同步代码块
synchronized (DoubleCheckLock.class){
if(instance == null){
// 多线程环境下可能会出现问题的地方
instance = new DoubleCheckLock();
}
}
}
return instance;
}
上述代码一个经典的单例的双重检测的代码，这段代码在单线程环境下并没有什么问题，但如果在多线程环境下就可以出现线程安全问题。原因在于某一个线程执行到第一次检测，读取到的instance不为null时，instance的引用对象可能没有完成初始化。
因为instance = new DoubleCheckLock();可以分为以下3步完成:
1、分配队形内存空间。
2、初始化对象。
3、设置instance指向刚分配的内存地址。此时instance! =null
由于步骤1和步骤2间可能会重排序，如下:
1、分配对象内存空间
3、设置instance指向刚分配的内存地址，此时instance! =null，但是对象还没有初始化完成!
2、初始化对象
由于步骤2和步骤3不存在数据依赖关系，而且无论重排前还是重排后程序的执行结果在单 线程中并没有改变，因此这种重排优化是允许的。但是指令重排只会保证串行语义的执行的一 致性(单线程)，但并不会关心多线程间的语义一致性。所以当一条线程访问instance不为null 时，由于instance实例未必已初始化完成，也就造成了线程安全问题。
那么该如何解决呢，很简单，我们使用volatile禁止instance变量被执行指令重排优化即可。
// 禁止指令重排优化
public volatile static DoubleCheckLock instance;
为了实现volatile内存语义，JMM会分别限制这两种类型的重排序类型。 下图是JMM针对编译器制定的volatile重排序规则表。
| 是否能重排 | 第二个操作 | 第二个操作 | 第二个操作 |
|---|---|---|---|
| 第一个操作 | 普通读/写 | volitale读 | volitale写 |
| 普通读/写 | NO | ||
| volitale读 | NO | NO | NO |
| volitale写 | NO | NO |
举例来说，第三行最后一个单元格的意思是:在程序中，当第一个操作为普通变量的读或 写时，如果第二个操作为volatile写，则编译器不能重排序这两个操作。
从上图可以看出:
- 当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保 volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
- 当第一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保 volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
-
当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序。
volatile写插入内存屏障后生成的指令序列示意图
上图中StoreStore屏障可以保证在volatile写之前，其前面的所有普通写操作已经对任意处理器可见了。这是因为StoreStore屏障将保障上面所有的普通写在volatile写之前刷新到主 内存。
这里比较有意思的是，volatile写后面的StoreLoad屏障。此屏障的作用是避免 volatile写与 后面可能有的volatile读/写操作重排序。因为编译器常常无法准确判断在 一个volatile写的后面是否需要插入一个StoreLoad屏障(比如，一个volatile写之后方 法立即return)。为了保证能正确 实现volatile的内存语义，JMM在采取了保守策略: 在每个volatile写的后面，或者在每个volatile读的前面插入一个StoreLoad屏障。从整体执行效率的角度考虑，JMM最终选择了在每个 volatile写的后面插入一个StoreLoad 屏障。因为volatile写-读内存语义的常见使用模式是:一个写线程写volatile变量，多个读线程读同一个volatile变量。当读线程的数量大大超过写线程时，选择在volatile写 之后插入StoreLoad屏障将带来可观的执行效率的提升。从这里可以看到JMM在实现上的一个特点:首先确保正确性，然后再去追求执行效率。
volatile读插入内存屏障后生成的指令序列示意图
上图中LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序。LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序。
上述volatile写和volatile读的内存屏障插入策略非常保守。在实际执行时，只要不改变volatile写-读的内存语义，编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。
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