并发基础二：Java内存模型

1. Java内存模型

1. 定义

• Java内存模型规定所有变量都存储在主内存中（Main memory），每个线程还有自己的工作内存（working memory）。
• 线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的拷贝（从主内存中拷贝过来），线程对变量的所有操作都必须在工作内存中执行，而不能直接访问主内存中的变量。
• 不同线程之间无法直接访问对方工作内存的变量，线程间变量值的传递都要通过主内存来完成。
• 主内存主要对应Java堆中实例数据部分。工作内存对应于虚拟机栈中部分区域。
  

2. 内存间交互工作

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识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）：作用于主内存变量，把主内存的一个变量读取到工作内存中。
• load（载入）：作用于工作内存，把read操作读取到工作内存的变量载入到工作内存的变量副本中
• use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的变量值传递给一个执行引擎。
• assign（赋值）：作用于工作内存的变量。把执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量。
• store（存储）：把工作内存的变量的值传递给主内存
• write（写入）：把store操作的值放入到主内存的变量中

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2. 指令重排序

• 概念：编译器或者处理器为了提高并发度，改变程序指令的执行顺序。（机器级的操作，汇编代码或者机器码的指令执行顺序与高级语言不一致）
• JMM是语言级的内存模型，它通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，确保在不同编译器和处理器平台上，为程序员提供一致的内存可见性。（Java编译器在生成特定类型的指令序列时，会插入特定类型的内存屏障指令，来禁止特定类型的处理器重排序）
• 在单线程程序中，对存在控制依赖的操作重排序，不会改变执行结果（这也是as-if-serial语义允许对存在控制依赖的操作做重排序的原因）；但在多线程程序中，对存在控制依赖的操作重排序，可能会改变程序的执行结果。（依赖：某段代码依赖于另外一段代码的结果，多线程线程的控制依赖会导致重排序改变程序执行结果）

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3. 原子性、可见性、有序性

1.原子性

• 一句话概括：一个操作或多个操作要么全部执行完成且执行过程不被中断，要么就不执行
• 例如： a=0；（a非long和double类型） 这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。（为什么强调非long和double，后面再解释）
• 再比如：a++； 这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。

2. 可见性

• 一句话概括： 当一个线程修改了该变量的值，另外一个线程可以立刻得知
• 原理：Java内存模型是通过将新值从该线程的工作内存同步到主内存，在变量读取前从主内存刷新本地工作内存来实现的。
• 底层实现:加内存屏障:
  
  1. 写变量后加写屏障，保证CPU写缓冲区的值强制刷新回主内存
  2. 读变量之前加读屏障，使缓存失效，从而强制从主内存读取变量最新值

3. 有序性

• 一句话概括：在本线程内观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另外一个线程，所有操作都是无序的
• 解释：前半句表示 “线程内表现为串行的语义（Within-Thread As-If-Serial Semantics）”，后半句表示“指令重排序”现象以及“工作内存和主内存同步延迟”现象。
• 通俗地讲，有序性指的是：数据不相关的变量在并发的情况下，实际执行的结果和单线程的执行结果是一样的，不会因为重排序的问题导致结果不可预知
• volatile、synchronized、显示锁都能保证有序性
• 除了以上几个关键字以外，Java语言中还有一个“先行发生”(Happen-Before)的原则可以保证有序性。这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的主要依赖。
• 补充：先行发生原则：Happen-Before
• 定义：指Java内存模型中定义的两项操作之间的依序关系，如果说操作A先行发生于操作B，其实就是说发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到
• java内存模型中存在几个天然的线性发生原则：例如
  
  1. volatile变量规则:对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。这里的后面指时间上的先后顺序。
  2. 管程锁定规则 一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。后面指时间上的先后顺序。
  3. ….

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4. 同步的两种基础机制：volatile和内置锁

1.volatile

• 当一个变量被声明为volatile之后，就保证了它对所有线程的可见性
• 声明了Volatile的作用：
  
  1. 每次修改volatile变量都会同步到主存中
  2. 每次读取volatile变量的值都强制从主存读取最新的值(强制JVM不可优化volatile变量,如JVM优化后变量读取会使用cpu缓存而不从主存中读取)
• 但是volatile不能保证原子性，如下图
  
• 以上代码说明了volatile不能保证原子性，每次运行的结果都是小于200000的数字。原因是因为在一个线程中当race值被取到栈顶时，volatile保证了此时的数据时最新的、正确的，但是执行自增的时候，主存中的race可能已经发生了变化，栈顶的race变为过期的数据，所以自增后的错误数据又被写回到主存之中。

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2.内置锁

• java提供了一种内置的锁机制来支持原子性：同步代码块。同步代码块包括两部分：一个作为锁的对象引用，一个作为由这个锁保护的代码块。以关键字synchronized来修饰的方法就是一种横跨整个方法体的同步代码块，其中该同步代码块的锁就是方法调用所在的对象，一般不要这么做，这样会影响效率。
• 每一个java对象都可以用作一个实现同步的锁，这些锁被称为内置锁或者监视器锁或对象锁。线程在进入同步代码块之前会自动获得锁，并且在退出同步代码块时自动释放锁。Java的内置锁本质上都是互斥锁。
• 内置锁具有可重入性：
  当某个线程请求一个由其他线程持有的锁时，发出请求的线程就会阻塞。然而，由于内置锁是可重入的，因此如果某个线程试图获得一个已经由它自己持有的锁，那么这个请求就会成功。“重入”意味着获取锁的操作的粒度是“线程”，而不是调用。重入的一种实现方法是，为每个锁关联一个获取计数值和一个所有者线程。重入进一步提升了加锁行为的封装性，因此简化了面向对象并发代码的开发。

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3. 内置锁与volatile对比

• 加锁机制既可以确保可见性又可以确保原子性，而volatile变量只能确保可见性，但是volatile的开销比锁小（volatile的读操作与普通变量几乎没有差别，写操作会慢一些，因为要禁止本地重排序优化，插入许多内存屏障指令）

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4. long、double非原子性协议

• 一个64位数据没有volatile修饰，他的读写操作可以划分为2个32位操作进行。因此，虚拟机的实现可以不保证没有被volatile修饰的64位数据类型的读写操作的原子性。（虚拟机一般都把long、double的读写操作实现为原子性，因此，写代码的时候一般不用专门在long、double类型声明为volatile）