【JVM】一篇通关JMM内存模型

1. 原子性

• 很多人将【java 内存结构】与【java 内存模型】傻傻分不清，【java 内存模型】是 Java Memory Model（JMM）的意思。
• 简单的说，JMM 定义了一套在多线程读写共享数据时（成员变量、数组）时，对数据的可见性、有序性、和原子性的规则和保障

1-1. 问题分析

两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

• 结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作。

例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 加法
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而对应 i-- 也是类似：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 减法
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和线程内存中进行数据交换：

1-2. 问题解决

synchronized（同步关键字）

synchronized( 对象 ) {
    要作为原子操作代码
}

2. 可见性

2-1. 问题分析

先来看一个现象，main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致了 t 线程无法停止：

static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t = new Thread(()->{
        while(run){
            // ....
        }
    });
    t.start();
    Thread.sleep(1000);
    run = false; // 线程t不会如预想的停下来
}

为什么会这样？

1. 初始状态， t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存。

2. 因为 t 线程要频繁从主内存中读取 run 的值，JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中，减少对主存中 run 的访问，提高效率

3. 1 秒之后，main 线程修改了 run 的值，并同步至主存，而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量的值，结果永远是旧值

2-2. 问题解决

volatile（易变关键字）

它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存，保证了共享变量的可见性，但不能保证原子性

public class Demo1 {
    volatile static boolean run = true;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t = new Thread(() -> {
            while (run) {
// ....
            }
        });
        t.start();
        Thread.sleep(1000);
        run = false; // 线程t不会如预想的停下来
    }

}

注意：
synchronized 语句块既可以保证代码块的原子性，也同时保证代码块内变量的可见性。但 缺点是synchronized是属于重量级操作，性能相对更低
如果在前面示例的死循环中加入 System.out.println() 会发现即使不加 volatile 修饰符，线程 t 也 能正确看到对 run 变量的修改了，想一想为什么？

进入println源码：

public void println(int x) {
    synchronized (this) {
        print(x);
        newLine();
    }
}

可以看出加了synchronized，保证了每次run变量都会从主存中获取

3. 有序性

3-1. 问题分析

看下面一个栗子：

int num = 0;
boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
    if(ready) {
        r.r1 = num + num;
    } else {
        r.r1 = 1;
    }
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) {
    num = 2;
    ready = true;
}

看到这里可能聪明的小伙伴会想到有下面三种情况：

情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1

情况2：线程2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结果为1

情况3：线程2 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）

但其实还有可能为0哦！😲

有可能还是：线程 2 执行 ready=true ，切换到线程1 ，进入if分支，相加为0，在切回线程 2 执行 num=2

这种现象就是指令重排

3-2. 问题解决

volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排

int num = 0;
volatile boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
    if(ready) {
        r.r1 = num + num;
    } else {
        r.r1 = 1;
    }
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) {
    num = 2;
    ready = true;
}

4. CAS与原子性

5. synchronized 优化