Java并发编程：JMM和volatile关键字

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本文出自方志朋的博客

Java内存模型

随着计算机的CPU的飞速发展，CPU的运算能力已经远远超出了从主内存（运行内存）中读取的数据的能力，为了解决这个问题，CPU厂商设计出了CPU内置高速缓存区。高速缓存区的加入使得CPU在运算的过程当中直接从高速缓存区读取数据，在必定程度上解决了性能的问题。但也引发了另一个问题，在CPU多核的状况下，每一个处理器都有本身的缓存区，数据如何保持一致性。为了保证多核处理器的数据一致性，引入多处理器的数据一致性的协议，这些协议包括MOSI、Synapse、Firely、DragonProtocol等。

JVM在执行多线程任务时，共享数据保存在主内存中，每个线程（执行再不一样的处理器）有本身的高速缓存，线程对共享数据进行修改的时候，首先是从主内存拷贝到线程的高速缓存，修改以后，而后从高速缓存再拷贝到主内存。当有多个线程执行这样的操做的时候，会致使共享数据出现不可预期的错误。

举个例子：

i++;//操做

这个i++操做，线程首先从主内存读取i的值，好比i=0，而后复制到本身的高速缓存区，进行i++操做，最后将操做后的结果从高速缓存区复制到主内存中。若是是两个线程经过操做i++,预期的结果是2。这时结果然的为2吗？答案是否认的。线程1读取主内存的i=0,复制到本身的高速缓存区，这时线程2也读取i=0,复制到本身的高速缓存区，进行i++操做，怎么最终获得的结构为1，而不是2。

为了解决缓存不一致的问题，有两种解决方案：

• 在总线加锁，即同时只有一个线程能执行i++操做（包括读取、修改等）。
• 经过缓存一致性协议

第一种方式就没什么好说的，就是同步代码块或者同步方法。也就只能一个线程能进行对共享数据的读取和修改，其余线程处于线程阻塞状态。
第二种方式就是缓存一致性协议，好比Intel 的MESI协议，它的核心思想就是当某个处理器写变量的数据，若是其余处理器也存在这个变量，会发出信号量通知该处理器高速缓存的数据设置为无效状态。当其余处理须要读取该变量的时候，会让其从新从主内存中读，而后再复制到高速缓存区。

编发编程的概念

并发编程的有三个概念，包括原子性、可见性、有序性。

原子性

原子性是指，操做为原子性的，要么成功，要么失败，不存在第三种状况。好比：

String s="abc";

这个复杂操做是原子性的。再好比：

int i=0;
i++;

i=0这是一个赋值操做，这一步是原子性操做；那么i++是原子性操做吗？固然不是，首先它须要读取i=0，而后须要执行运算，写入i的新值1，它包含了读取和写入两个步骤，因此不是原子性操做。

可见性

可见性是指共享数据的时候，一个线程修改了数据，其余线程知道数据被修改，会从新读取最新的主存的数据。
举个例子：

i=0;//主内存

i++;//线程1

j=i;//线程2

线程1修改了i值，可是没有将i值复制到主内存中，线程2读取i的值，并将i的值赋值给j,咱们指望j=1,可是因为线程1修改了，没有来得及复制到主内存中，线程2读取了i,并赋值给j，这时j的值为0。
也就是线程i值被修改，其余线程并不知道。

有序性

是指代码执行的有序性，由于代码有可能发生指令重排序（Instruction Reorder）。

Java 语言提供了 volatile 和 synchronized 两个关键字来线程代码操做的有序性，volatile 是由于其自己包含“禁止指令重排序”的语义，synchronized 在单线程中执行代码，不管指令是否重排，最终的执行结果是一致的。

volatile详解

volatile关键字做用

被volatile关键字修饰变量，起到了2个做用：

1.某个线程修改了被volatile关键字修饰变量是，根据数据一致性的协议，经过信号量，更改其余线程的高速缓存中volatile关键字修饰变量状态为无效状态，其余线程若是须要重写读取该变量会再次从主内存中读取，而不是读取本身的高速缓存中的。

2.被volatile关键字修饰变量不会指令重排序。

volatile可以保证可见性和防止指令重排

在Java并发编程实战一书中有这样

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);
        }
    }
}

在上述代码中，有可能（几率很是小，可是有这种可能性）永远不会打印a的值，由于线程ReadThread读取了主内存的ready为false,主线程虽然更新了ready，可是ReadThread的高速缓存中并无更新。
另外：

a = 32;

ready = true;

这两行代码有可能发生指令重排。也就是能够打印出a的值为0。

若是在变量加上volatile关键字，能够防止上述两种不正常的状况的发生。

volatile不能保证原子性

首先用一段代码测试下，开起了10个线程，这10个线程共享一个变量inc（被volatile修饰），并在每一个线程循环1000次对inc进行inc++操做。咱们预期的结果是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();
        }
        //保证前面的线程都执行完
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println(test.inc);
    }

}

屡次运行main函数，你会发现结果永远都不会为10000，都是小于10000。可能有这样的疑问，volatile保证了共享数据的可见性，线程1修改了inc变量线程2会从新从主内存中从新读，这样就能保证inc++的正确性了啊，可为何没有获得咱们预期的结果呢？

在以前已经讲述过inc++这样的操做不是一个原子性操做，它分为读、加加、写。一种状况，当线程1读取了inc的值，尚未修改，线程2也读取了，线程1修改完了，通知线程2将线程的缓存的 inc的值无效须要重读，可这时它不须要读取inc ，它仍执行写操做，而后赋值给主线程，这时数据就会出现问题。

因此volatile不能保证原子性 。这时须要用锁来保证,在increase方法加上synchronized，从新运行打印的结果为10000 。

public synchronized void increase() {
        inc++;
}

volatile的使用场景

状态标记

volatile最多见的使用场景是状态标记，以下：

private volatile boolean asheep ;

//线程1
 
while(!asleep){
    countSheep();
}

//线程2
asheep=true;

防止指令重排

volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();  
inited = true;  
//上面两行代码若是不用volatile修饰，可能会发生指令重排，致使报错
 
//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

参考资料

《Java 并发编程实战》

《深刻理解JVM》

海子的博客：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html

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