Java內(nèi)存模型
隨著計(jì)算機(jī)的CPU的飛速發(fā)展，CPU的運(yùn)算能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了從主內(nèi)存（運(yùn)行內(nèi)存）中讀取的數(shù)據(jù)的能力，為了解決這個(gè)問題，CPU廠商設(shè)計(jì)出了CPU內(nèi)置高速緩存區(qū)。高速緩存區(qū)的加入使得CPU在運(yùn)算的過程中直接從高速緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)，在一定程度上解決了性能的問題。但也引起了另外一個(gè)問題，在CPU多核的情況下，每個(gè)處理器都有自己的緩存區(qū)，數(shù)據(jù)如何保持一致性。為了保證多核處理器的數(shù)據(jù)一致性，引入多處理器的數(shù)據(jù)一致性的協(xié)議，這些協(xié)議包括MOSI、Synapse、Firely、DragonProtocol等。
JVM在執(zhí)行多線程任務(wù)時(shí)，共享數(shù)據(jù)保存在主內(nèi)存中，每一個(gè)線程（執(zhí)行再不同的處理器）有自己的高速緩存，線程對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行修改的時(shí)候，首先是從主內(nèi)存拷貝到線程的高速緩存，修改之后，然后從高速緩存再拷貝到主內(nèi)存。當(dāng)有多個(gè)線程執(zhí)行這樣的操作的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致共享數(shù)據(jù)出現(xiàn)不可預(yù)期的錯(cuò)誤。
舉個(gè)例子：
i++;//操作
這個(gè)i++操作，線程首先從主內(nèi)存讀取i的值，比如i=0，然后復(fù)制到自己的高速緩存區(qū)，進(jìn)行i++操作，最后將操作后的結(jié)果從高速緩存區(qū)復(fù)制到主內(nèi)存中。如果是兩個(gè)線程通過操作i++,預(yù)期的結(jié)果是2。這時(shí)結(jié)果真的為2嗎？答案是否定的。線程1讀取主內(nèi)存的i=0,復(fù)制到自己的高速緩存區(qū)，這時(shí)線程2也讀取i=0,復(fù)制到自己的高速緩存區(qū)，進(jìn)行i++操作，怎么最終得到的結(jié)構(gòu)為1，而不是2。
為了解決緩存不一致的問題，有兩種解決方案：
- 在總線加鎖，即同時(shí)只有一個(gè)線程能執(zhí)行i++操作（包括讀取、修改等）。
- 通過緩存一致性協(xié)議
第一種方式就沒什么好說的，就是同步代碼塊或者同步方法。也就只能一個(gè)線程能進(jìn)行對(duì)共享數(shù)據(jù)的讀取和修改，其他線程處于線程阻塞狀態(tài)。
第二種方式就是緩存一致性協(xié)議，比如Intel 的MESI協(xié)議，它的核心思想就是當(dāng)某個(gè)處理器寫變量的數(shù)據(jù)，如果其他處理器也存在這個(gè)變量，會(huì)發(fā)出信號(hào)量通知該處理器高速緩存的數(shù)據(jù)設(shè)置為無(wú)效狀態(tài)。當(dāng)其他處理需要讀取該變量的時(shí)候，會(huì)讓其重新從主內(nèi)存中讀，然后再?gòu)?fù)制到高速緩存區(qū)。
編發(fā)編程的概念
并發(fā)編程的有三個(gè)概念，包括原子性、可見性、有序性。
原子性
原子性是指，操作為原子性的，要么成功，要么失敗，不存在第三種情況。比如：
String s="abc";
這個(gè)復(fù)雜操作是原子性的。再比如：
int i=0;
i++;
i=0這是一個(gè)賦值操作，這一步是原子性操作；那么i++是原子性操作嗎？當(dāng)然不是，首先它需要讀取i=0，然后需要執(zhí)行運(yùn)算，寫入i的新值1，它包含了讀取和寫入兩個(gè)步驟，所以不是原子性操作。
可見性
可見性是指共享數(shù)據(jù)的時(shí)候，一個(gè)線程修改了數(shù)據(jù)，其他線程知道數(shù)據(jù)被修改，會(huì)重新讀取最新的主存的數(shù)據(jù)。
舉個(gè)例子：
i=0;//主內(nèi)存
i++;//線程1
j=i;//線程2
線程1修改了i值，但是沒有將i值復(fù)制到主內(nèi)存中，線程2讀取i的值，并將i的值賦值給j,我們期望j=1,但是由于線程1修改了，沒有來(lái)得及復(fù)制到主內(nèi)存中，線程2讀取了i,并賦值給j，這時(shí)j的值為0。
也就是線程i值被修改，其他線程并不知道。
有序性
是指代碼執(zhí)行的有序性，因?yàn)榇a有可能發(fā)生指令重排序（Instruction Reorder）。
Java 語(yǔ)言提供了 volatile 和 synchronized 兩個(gè)關(guān)鍵字來(lái)線程代碼操作的有序性，volatile 是因?yàn)槠浔旧戆敖怪噶钪嘏判颉钡恼Z(yǔ)義，synchronized 在單線程中執(zhí)行代碼，無(wú)論指令是否重排，最終的執(zhí)行結(jié)果是一致的。
volatile詳解
volatile關(guān)鍵字作用
被volatile關(guān)鍵字修飾變量，起到了2個(gè)作用：
1.某個(gè)線程修改了被volatile關(guān)鍵字修飾變量是，根據(jù)數(shù)據(jù)一致性的協(xié)議，通過信號(hào)量，更改其他線程的高速緩存中volatile關(guān)鍵字修飾變量狀態(tài)為無(wú)效狀態(tài)，其他線程如果需要重寫讀取該變量會(huì)再次從主內(nèi)存中讀取，而不是讀取自己的高速緩存中的。
2.被volatile關(guān)鍵字修飾變量不會(huì)指令重排序。
volatile能夠保證可見性和防止指令重排
在Java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)一書中有這樣
public class NoVisibility {
private static boolean ready;
private static int a;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new ReadThread().start();
Thread.sleep(100);
a = 32;
ready = true;
}
private static class ReadThread extends Thread {
@Override
public void run() {
while (!ready) {
Thread.yield();
}
System.out.println(a);
}
}
}
在上述代碼中，有可能（概率非常小，但是有這種可能性）永遠(yuǎn)不會(huì)打印a的值，因?yàn)榫€程ReadThread讀取了主內(nèi)存的ready為false,主線程雖然更新了ready，但是ReadThread的高速緩存中并沒有更新。
另外：
a = 32;
ready = true;
這兩行代碼有可能發(fā)生指令重排。也就是可以打印出a的值為0。
如果在變量加上volatile關(guān)鍵字，可以防止上述兩種不正常的情況的發(fā)生。
volatile不能保證原子性
首先用一段代碼測(cè)試下，開起了10個(gè)線程，這10個(gè)線程共享一個(gè)變量inc（被volatile修飾），并在每個(gè)線程循環(huán)1000次對(duì)inc進(jìn)行inc++操作。我們預(yù)期的結(jié)果是10000.
public class VolatileTest {
public volatile int inc = 0;
public void increase() {
inc++;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final VolatileTest test = new VolatileTest();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 1000; j++)
test.increase();
}).start();
}
//保證前面的線程都執(zhí)行完
Thread.sleep(3000);
System.out.println(test.inc);
}
}
多次運(yùn)行main函數(shù)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果永遠(yuǎn)都不會(huì)為10000，都是小于10000?？赡苡羞@樣的疑問，volatile保證了共享數(shù)據(jù)的可見性，線程1修改了inc變量線程2會(huì)重新從主內(nèi)存中重新讀，這樣就能保證inc++的正確性了啊，可為什么沒有得到我們預(yù)期的結(jié)果呢？
在之前已經(jīng)講述過inc++這樣的操作不是一個(gè)原子性操作，它分為讀、加加、寫。一種情況，當(dāng)線程1讀取了inc的值，還沒有修改，線程2也讀取了，線程1修改完了，通知線程2將線程的緩存的 inc的值無(wú)效需要重讀，可這時(shí)它不需要讀取inc ，它仍執(zhí)行寫操作，然后賦值給主線程，這時(shí)數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)問題。
所以volatile不能保證原子性 。這時(shí)需要用鎖來(lái)保證,在increase方法加上synchronized，重新運(yùn)行打印的結(jié)果為10000 。
public synchronized void increase() {
inc++;
}
volatile的使用場(chǎng)景
狀態(tài)標(biāo)記
volatile最常見的使用場(chǎng)景是狀態(tài)標(biāo)記，如下：
private volatile boolean asheep ;
//線程1
while(!asleep){
countSheep();
}
//線程2
asheep=true;
防止指令重排
volatile boolean inited = false;
//線程1:
context = loadContext();
inited = true;
//上面兩行代碼如果不用volatile修飾，可能會(huì)發(fā)生指令重排，導(dǎo)致報(bào)錯(cuò)
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
參考資料
《Java 并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)》
《深入理解JVM》
