Java内存模型（JMM）详解-可见性volatile

这里写自定义目录标题

Java内存模型（JMM）详解-可见性
什么是JMM
JMM存在的意义
为什么示例demo中不会打印 i 的值
如何解决可见性问题
**深入理解JMM内存模型**
JAVA内存模型总结

Java内存模型（JMM）详解-可见性

什么是JMM
JMM的意义
如何解决可见性问题
深入理解JMM内存模型
JAVA内存模型总结

什么是JMM

JMM即是java内存模型（java memory model），屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。通俗的说，就是对java语言中对多线程执行时的规则，是解决多线程场景下并发问题的一个重要规范。

可以看看一下如下文章:

https://www.cnblogs.com/lfs2640666960/p/11019798.html

JMM存在的意义

谈到JMM内存模型存在的意义，首先我们先了解到java多线程中存在的问题，有如下几点：
- 所见非所得
- 无法肉眼检测程序的准确性
- 不同的平台上会有不同的表现
- 错误难重现

具体示例代码demo实现如下

/*** @Author 作者 :@潇兮* @Date 创建时间：2019/9/14 22:46* 类说明：多线程DEMO*/
public class Demo_1 {int i = 0;boolean isRunning = true;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {final Demo_1 demo = new Demo_1();new Thread(new Runnable() {public void run() {System.out.println("线程开始执行");while(demo.isRunning){demo.i++;}System.out.println(demo.i);}}).start();Thread.sleep(3000L);demo.isRunning = true;System.out.println("终止");}
}

打印结果为：
可以看到按道理 3s 后打印的结果并没有执行输出 i 的值，这是就说明了多线程问题的第二点肉眼无法检测程序的准确性，将edit-ConfConfiguration改为VM-options：-client，执行程序可以看到可以打印出 i 的值（仅限于jdk32位，jdk64位无论是-server（32位不打印）还是-client都不会打印出i的值），这里就不做演示。可以从这一步得出结论不同的平台上会有不同的表现

为什么示例demo中不会打印 i 的值

首先我们先理解上述demo在内存中的表现（如下图），其中主线程和子线程的工作区分布在cpu和RAM内存中：java内存分为共享内存和线程中独占的内存，主线程（main方法）将线程sleep（3000L）后把isRunning变为false，然后将isRunning写入高速缓存中，最后将主内存中的isRunning改为false，子线程（new Thread）则从高速缓存中读取isRunning的值，判断对比while条件，isRunning变为false时，打印 i，但是没有打印。说明可能是子线程读取时出错，存在可见性问题。
推断一：高速缓存造成的可见性问题
由于存在高速缓存协议，两个高速缓存之间的值应该会极快的同步，从而做到数据的同步。但是demo中长时间看不见打印 i 的值，所以排除高速缓存的可能（高速缓存可以导致可见性的问题，但是时间短到肉眼不可见，在程序级别也可能存在异常情况，demo中明显不是，故排除）。

推断二：指令重排造成的可见性问题

## 什么是指令重排：指令重排是指在程序执行过程中, 为了性能考虑, 编译器和CPU可能会对指令重新排序，遵循as-if-serial语义。as-if-serial语义保证了在单个线程内，指令重排时，最终的结果不会改变。但是在多线程中并不保证。

由此可见指令重排能够造成可见性问题，而java编译器的指令重排发生在JIT编译中
从图一（JIT编译过程）、图二（demo执行结果）中可知道，虽然由于高速缓存中同步了值过去，但是发生JIT指令重排，会将while循环体编译成类似如下代码，当isRunning为true时，将它作为一个值存储起来，当子线程读取isRunning的值时，就不会读取到false，从而也就不会打印出 i 的值。
图一
图二

如何解决可见性问题

   java内存模型规定：对于volatile修饰的变量 v的写入，与所有其他线程后续对v的读同步可见性问题：一个线程修改的变量，能够及时被其他线程所见

使用**volatile**（提出规则）关键字修饰isRunning(修饰后由JVM实现具体规则)，可以打印出 i 的值，打印结果如下：

volatile关键字的功能：

禁用缓存；
volative变量的访问控制会加个ACC_VOLATILE（图一），可以看到isRUnning被修饰了，去oracle官网可以看到规定了volatile禁用了缓存ccannot be cached，结合上述JIT编译示例图，因为禁用了缓存，所以对于isRunning的读写都直接从主内存中读写，从而禁止了JIT指令重排，保证了可见性（图二）
https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html/#jvms-4.5
图一 图二
对volatile变量相关的指令不做重排序；

深入理解JMM内存模型

上述描述了java内存模型是什么，下面让我们来剖析java内存模型里有什么东西，加深理解

什么是共享变量
java内存模型中定义了 share variable（共享变量）。java内存区域中有共享内存区域（比如堆内存，方法区）和线程独占内存区域，存在共享区域的变量叫做共享内存变量，比如说方法区中的一些静态字段，堆中对象中存储的实例字段等。
什么是冲突
如果至少一个访问操作时写操作，那么对于同一个变量的两次访问可能是冲突的。java内存模型就是为了解决这些冲突的。
什么是java线程间操作
一个程序执行的操作可被其他线程感知或被其他线程直接影响（如多线程间的读写操作），java内存模型只描述线程间的操作，不描述线程内的操作，线程内操作按照线程内语义执行。
线程间操作有哪些

1.read操作（一般读，非volatile读）
2.write 操作（一般写，非volatile写）
3.volatile read
4. volatile write
5.Lock.(锁monitor)、unlock
6.线程的第一个和最后一个操作
7.外部操作（例如多个程序访问同一个DB)

同步规则的定义

1.对于volatile变量v的写入，与所有其他线程后续对于v的读同步;（这里说的同步即可见，这里写在读前面吗，重点）
2. 对于监视器m的解锁与所有后续操作对于m加锁同步;（就是 ① 对于加锁解锁不能做指令重排;② 当有两个线程，其中一个线程加锁，其中做的操作结果解锁后是对于另一个加锁线程是可见的，重点）
3. 对于每个属性值写入默认值（0,false,null）与每个线程对其进行的操作同步 （了解）
4. 启动线程的操作与线程中的第一个操作同步(了解)
5. 线程T2的最后一个操作与线程T1发现线程T2已经结束同步(isAlive,join可以判断线程是否终止,了解)
6. 如果线程T1中断了T2,那么线程T1的中断操作与其他所有线程发现T2被中断了同步，通过抛出InterruptedException异常,或者调用Thread.interrupted或Thread.isInterrupted

Happens-before先行发生原则
happens-before关系用于描述两个有冲突的动作之间的顺序，如果一个action happens before另一个action，则第一个操作被第二个操作可见，JVM需要实现如下happens-before规则（引用下图）：
final在JVM中的处理

1.final在该对象的构造函数中设置对象的字段，当线程看到该对象时，始终看到该对象的final字段的正确构造版本；
伪代码示例：读取到的f.x一定是最新的，f.y可能为默认值0,具体代码示例如下

2。如果在构造函数中设置的字段发生读取，则会看到该字段分配的值，否则将看到默认值；
伪代码示例：public finalDemo{x=1；y=x}；y会等于1，x用final修饰；

3.读取该共享对象的final成员变量之前，先要读取共享对象；
伪代码示例：r=new ReferenceObject();k=r.f;这两个操作不能重排序

4.通常被static final修饰的字段，不能被修改。然而System.in、System.out、System.err被static final修饰，却可以修改的，这是遗留问题，必须允许通过set方式改变，我们将这些字段称为写保护，以区别于普通final字段,举个例子如下图：
```
/*** @Author 作者 :@潇兮* @Date 创建时间：2019/9/14 23:45* 类说明：并不一定能重现，很难重现，仅作为理论知识了解即可*/
public class Demo2 {final int x;int y;static Demo2 f;public Demo2() {x=1;y=2;}static void writer(){f=new Demo2();}static  void reader(){if (f!=null){int i=f.x;int j=f.y;System.out.println("i="+i+",j="+j);//因为x被final修饰，y没有，所以 执行main方法后x的值一定为1，y的值可能为2也可能是0}}public static  void main(String[] args){//Thread1.writer//Thread2.reader}}
```
Word Tearing字节处理
有些处理器（尤其是早期的Alphas处理器）没有提供写单个字节的功能。在这样的处理器上更新byte数组，若值是简单的读取整个内容，更新对应的字节，然后将整个内容再写回内存，将是不合法的。
这个问题有时候称为“字分裂（word tearing）”，更新单个字节有难度的处理器，就需要寻求其他方式来解决问题。因此，在编程过程中，尽量不要对byte[]中的元素进行重新赋值，更不要在多线程程序中这样做（这是java语言规范提出的意见，我们持保留意见，当代处理器基本不会出现这个问题）。
double和long的特殊处理

由于《Java语言规范》的原因，对于非volatile的double、long的单次写操作是分两次进行的（double和long是64位），每次操作其中的32位，这可能导致第一次写入后，读取的值是脏数据，第二次写完后才可以读到正确数据，但是64位JVM内部实现了使得对double和long的类型变为原子性的操作。（多线程的情况下，单线程不会有问题）

JAVA内存模型总结

java虚拟机可以同时支持多个执行线程，若未正确同步，线程的行为可能会出现混淆和违反的直觉。JAVA内存模型规范了当多个线程修改了共享内存中的值时，应该读取到哪个值的规则。由于这部分规范类似于不同硬件体系结构的内存模型，因此这些语义称为java编程语言的内存模型。