JMM与Volatile

JMM与Volatile

一、JMM

请你谈谈你怼Volatile的理解

Volatile是Java虚拟机提供轻量级的同步机制

1、保证可见性

2、不保证原子性

3、禁止指令重排

什么是JMM

JMM: Java内存模型，不存在的东西，概念！约定！

关于JMM的一些同步的约定：

1、线程解锁前，必须把共享变量立刻刷回主存

2、线程加锁前，必须读取主存最新值到工作区

3、加锁和解锁是同一把锁。

线程 工作内存、主内存

8种操作：

内存交互操作有8种，虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的，不可在分的（对于double和long类 型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许例外）

• lock （锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态
• unlock （解锁）：作用于主内存的变量，它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，它把一个变量的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
• load （载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主存中变量放入工作内存中
• use （使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令
• assign （赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
• store （存储）：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write使用
• write 　（写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中

JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则：

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load，使用了store必须write
• 不允许线程丢弃他最近的assign操作，即工作变量的数据改变了之后，必须告知主存
• 不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存
• 一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施use、store操作之前，必须经过assign和load操作
• 一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后，必须执行相同次数的unlock才能解锁
• 如果对一个变量进行lock操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，必须重新load或assign操作初始化变量的值
• 如果一个变量没有被lock，就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量
• 对一个变量进行unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存

JMM对这八种操作规则和对volatile的一些特殊规则就能确定哪里操作是线程安全，哪些操作是线程不安全的了。但是这些规则实在复杂，很难在实践中直接分析。所以一般我们也不会通过上述规则进行分析。更多的时候，使用java的happen-before规则来进行分析。

问题： 程序不知道主内存的值已经被修改过了

二、Volatile

1、保证可见性

public class JMMDemo {
    // 不加volatile就对主内存的变化是不知道的
    // 会死循环
    // 所以加volatile保证可见性
    private volatile static int num  = 0;
    public static void main(String[] args) { //main
        new Thread(()->{ // 对主内存的变化是不知道的
            while (num == 0){

            }
        }).start();

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {

        }
        num = 1;
        System.out.println(num);
    }
}

2、不保证原子性

原子性： 不可分割

线程A在执行任务的时候，不能被打扰，也不能被分割。要么同时成功，要么同时失败

//volatile 不保证原子性
public class VDemo02 {

    //volatile不保证原子性
   // private volatile static int num=0;

    private volatile static AtomicInteger num=new AtomicInteger();

    public static void add(){
       // num++;  //不是一个原子性操作
        num.getAndIncrement(); //atomicInteger+1 方法 ，CAS
    }

    public static void main(String[] args) {
        //理论上结果应该是2万
        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    add();
                }
            }).start();

        }
        while (Thread.activeCount()>2){
            Thread.yield();
        }


        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+num);
    }
}

如果不加 lock 和synchronized 怎么样保证原子性

使用原子类，解决原子性问题

// volatile 不保证原子性 
public class VDemo02 {
    // Thread.yield()是在主线程中执行的，
    // 意思只要还有除了GC和main线程之外的线程在跑，
    // 主线程就让出cpu不往下执行
    
     // volatile 不保证原子性    
    // 原子类的 Integer 

    // private volatile static int num = 0;
    private volatile static AtomicInteger num = new AtomicInteger();



    public static void add(){
        // num++; // 不是一个原子性操作
        num.getAndIncrement(); // AtomicInteger的+1 方法   CAS
    }

    public static void main(String[] args) {

        // 理论上结果应该是2w
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(()->{
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    add();
                }
            }).start();
        }

        while (Thread.activeCount()>2) {// main gc
            Thread.yield();
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "  " + num);

    }
}

这些类的底层直接和操作系统挂钩 在内存中修改类！unsafe是一个很特殊的存在

3、禁止指令重排

什么是指令重排： 写的程序，计算机并不是按照写的那样执行

源代码–> 执行

源代码–>编译器优化的重排->指令并行也可能重排->内存系统也会重排->执行

处理器在执行指令重排的时候，考虑：指令之间的依赖性！

int x = 1; // 1
int y = 2; // 2
x = x + 5; // 3
y = x + x; // 4

所期望的是： 1234  但是可能执行的时候会变成 2134 1324
可不可能是4123！

可能造成影响的结果 a b x y 默认都是0

线程A	线程B
x = a	y=b
b=1	a=2

正常结果：x=0; y=0; 但是可能由于指令重排

线程A	线程B
b=1	a=2
x=a	y=b

指令重排导致的诡异结果： x=2;y=1;

Volatile可以避免指令重排

1、保证特定的操作的执行顺序！

2、可以保证某些变量的内存可见性（利用这些特性volatile实现了可见性)

Volatile是可以保证 可见性。不能保证原子性，由于内存屏障，可以保证避兔指令重排的现象产生！