java架构之路（多线程）JMM和volatile关键字

说到JMM大家一定很陌生，被我们所熟知的一定是jvm虚拟机，而我们今天讲的JMM和JVM虚拟机没有半毛钱关系，千万不要把JMM的任何事情联想到JVM，把JMM当做一个完全新的事物去理解和认识。

我们先看一下计算机的理论模型，也是冯诺依曼计算机模型，先来张图。

其实我们更关注与计算机的内部CPU的计算和内存之间的关系。我们在来深入的看一下是如何计算的。

我们来看一下这个玩意的处理流程啊，当我们的数据和方法加载的内存区，需要处理时，内存将数据和方法传递到CPU的L3->L2->L1然后再进入到CPU进行计算，然后再由L1->L2->L3->再返回到主内存中，但是我们的科技反展的很快的，现在貌似没有单核的CPU了吧，什么8核16核的CPU随处可见，我们这里只的CPU只是CPU的一个核来计算这些玩意。假设我们的方法是f(x) = x + 1，我们入参是1，期望得到结果是2，1+1=2，我计算的没错吧。如果我们两个核同时执行该方法呢？我们的CPU2反应稍微慢了一点呢？假如当我们的内存再向CPU2发送参数时，可能CPU1已经计算完成并且已经返回了。这时CPU2取得的参数就是2，这时再进行计算就是2+1了。结果并不是我们期望的结果。这其实就是数据未同步造成的。我们应该想尽我们的办法去同步一下数据。

我们中间加了一层缓存一致性协议。也就是我们的MESI，在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们的又共享同一个主内存

我来简单说一下，我们的MESI是咋回事，是怎么做到缓存一致性的。英语不好，我就不误解大家解释MESI是什么单词的缩写了（是不是缩写我也不知道，但是我知道工作原理）。

我们还是从内存到CPU的这条线路，这时我们多了一个MESI，当变量X被共同读取时，CPU1和CPU2是共享一个X变量，但是分别存在CPU1和2内，也就是我们X(S)的状态。然后CPU1和2一起准备要计算了。

然后1和2一定会有一个厉害的。比如1得到了胜利，这时CPU1里的X(S)变为X(E)由共享状态变为独享状态，并且告诉CPU2把X(S)变为X(I)的状态，由共享状态变为失效状态。然后CPU1就可以计算了。计算完成，

又将X(S)变为X(M)的状态，由独享状态变为了修改的状态。

M: 被修改（Modified)

该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，并且是被修改过的（dirty),即与主存中的数据不一致，该缓存行中的内存需要在未来的某个时间点（允许其它CPU读取请主存中相应内存之前）写回（write back）主存。

当被写回主存之后，该缓存行的状态会变成独享（exclusive)状态。

E: 独享的（Exclusive)

该缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，它是未被修改过的（clean)，与主存中数据一致。该状态可以在任何时刻当有其它CPU读取该内存时变成共享状态（shared)。

同样地，当CPU修改该缓存行中内容时，该状态可以变成Modified状态。

S: 共享的（Shared)

该状态意味着该缓存行可能被多个CPU缓存，并且各个缓存中的数据与主存数据一致（clean)，当有一个CPU修改该缓存行中，其它CPU中该缓存行可以被作废（变成无效状态（Invalid））。

I: 无效的（Invalid）

说到这也就是是我们JMM的内存模型的工作机制了。所以说JMM是一个虚拟的，和JVM一点关系都没有的。切记不要混淆。

这里也有三个重要的知识点。

JVM 内存模型(JMM) 三大特性

原子性：指一个操作是不可中断的，即使是多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程干扰

比如，对于一个静态全局变量int i，两个线程同时对它赋值，线程A 给他赋值 1，线程 B 给它赋值为 -1,。那么不管这两个线程以何种方式，何种步调工作，i的值要么是1，要么是-1，线程A和线程B之间是没有干扰的。这就是原子性的一个特点，不可被中断

可见性：指当一个线程修改了某一个共享变量的值，其他线程是否能够立即知道这个修改。显然，对于串行程序来说，可见性问题  是不存在。因为你在任何一个操作步骤中修改某个变量，那么在后续的步骤中，读取这个变量的值，一定是修改后的新值。但是这个问题在并行程序中就不见得了。如果一个线程修改了某一个全局变量，那么其他线程未必可以马上知道这个改动。

有序性：对于一个线程的执行代码而言，我们总是习惯地认为代码的执行时从先往后，依次执行的。这样的理解也不能说完全错误，因为就一个线程而言，确实会这样。但是在并发时，程序的执行可能就会出现乱序。给人直观的感觉就是：写在前面的代码，会在后面执行。有序性问题的原因是因为程序在执行时，可能会进行指令重排，重排后的指令与原指令的顺序未必一致（指令重排后面会说）。

我们来看一下volatile关键字

先看一段代码吧，不上代码，总觉得是自己没练习到位。

private static  int counter = 0;  
    public static void main(String[] args) {  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {  
            Thread thread = new Thread(()->{  
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {  
                    counter++; //不是一个原子操作,第一轮循环结果是没有刷入主存，这一轮循环已经无效  
                }  
            });  
            thread.start();  
        }  
        try {  
            Thread.sleep(1000);  
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println(counter);  
    } 

按照JMM的思想流程来解读一下这段代码，我们先创建10个线程。我们这里叫做T1，T2，T3...T100。然后分别去拿counter这个数字，然后叠加1，循环1000-counter次。当T1拿到counter，开始计算，假如，我们计算到第50次时，这时线程T2，也开始要拿counter这个数字，这时得到的counter数字为50，则T2就要循环950次，最后我们计算得到的counter就是9950。也就是说，内部是没有内存一致性协议的。所以我们的输出一定是<=10000的数字。

我们来尝试改一下代码，使用一下我们的volatile关键字。

private static volatile int counter = 0;  
    public static void main(String[] args) {  
        for (int i = 0; i < 10; i++) {  
            Thread thread = new Thread(()->{  
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {  
                    counter++; //不是一个原子操作,第一轮循环结果是没有刷入主存，这一轮循环已经无效  
                }  
            });  
            thread.start();  
        }  
        try {  
            Thread.sleep(1000);  
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
        System.out.println(counter);  
    } 

这时我们加入了volatile关键字，我们经过多次运行会发现，每次结果都为10000，也就是说每次都是我们期待的结果，volatile可以保证线程可见性且提供了一定的有序性，但是无法保证原子性。在JVM底层volatile是采用“内存屏障”来实现的。

也就是我们加入了volatile关键字时，java代码运行过程中，会强制给予一层内存一致性的屏障，做到了，我们计算直接不会相互影响，得到我们预期的结果。

1、可见性实现：

在前文中已经提及过，线程本身并不直接与主内存进行数据的交互，而是通过线程的工作内存来完成相应的操作。这也是导致线程间数据不可见的本质原因。因此要实现volatile变量的可见性，直接从这方面入手即可。对volatile变量的写操作与普通变量的主要区别有两点：

（1）修改volatile变量时会强制将修改后的值刷新的主内存中。

（2）修改volatile变量后会导致其他线程工作内存中对应的变量值失效。因此，再读取该变量值的时候就需要重新从读取主内存中的值。相当于上文说到的从S->E，另一个线程从S->I的过程。

通过这两个操作，就可以解决volatile变量的可见性问题。

2、内存屏障

为了实现volatile可见性和happen-befor的语义。JVM底层是通过一个叫做“内存屏障”的东西来完成。内存屏障，也叫做内存栅栏，是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制。下面是完成上述规则所要求的内存屏障：

（1）LoadLoad 屏障

执行顺序：Load1—>Loadload—>Load2

确保Load2及后续Load指令加载数据之前能访问到Load1加载的数据。

（2）StoreStore 屏障

执行顺序：Store1—>StoreStore—>Store2

确保Store2以及后续Store指令执行前，Store1操作的数据对其它处理器可见。

（3）LoadStore 屏障

执行顺序：Load1—>LoadStore—>Store2

确保Store2和后续Store指令执行前，可以访问到Load1加载的数据。

（4）StoreLoad 屏障

执行顺序: Store1—> StoreLoad—>Load2

确保Load2和后续的Load指令读取之前，Store1的数据对其他处理器是可见的。

总体上来说volatile的理解还是比较困难的，如果不是特别理解，也不用急，完全理解需要一个过程，在后续的文章中也还会多次看到volatile的使用场景。这里暂且对volatile的基础知识和原来有一个基本的了解。总体来说，volatile是并发编程中的一种优化，在某些场景下可以代替Synchronized。但是，volatile的不能完全取代Synchronized的位置，只有在一些特殊的场景下，才能适用volatile。总的来说，必须同时满足下面两个条件才能保证在并发环境的线程安全：

（1）对变量的写操作不依赖于当前值。

（2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

参考地址： https://www.cnblogs.com/paddix/p/5428507.html

JMM-同步八种操作介绍

(1)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

(2)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

(3)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

(4)load(载入):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

(5)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

(6)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

(7)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

(8)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

流程图大致是这样的：

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