【Java八股文之进阶篇（二）】JMM内存模型

JMM内存模型

注意这里提到的内存模型和我们在JVM中介绍的内存模型不在同一个层次，JVM中的内存模型是虚拟机规范对整个内存区域的规划，而**Java内存模型，是在JVM内存模型之上的抽象模型，具体实现依然是基于JVM内存模型实现的，**我们会在后面介绍。

Java内存模型

我们在计算机组成原理中学习过，在我们的CPU中，一般都会有高速缓存，而它的出现，是为了解决内存的速度跟不上处理器的处理速度的问题，所以CPU内部会添加一级或多级高速缓存来提高处理器的数据获取效率，但是这样也会导致一个很明显的问题，因为现在基本都是多核心处理器，每个处理器都有一个自己的高速缓存，那么又该怎么去保证每个处理器的高速缓存内容一致呢？

为了解决缓存一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI（Illinois Protocol）、MOSI、Synapse、Firefly及Dragon Protocol等。【这一部分去看小林coding的图解系统】

而Java也采用了类似的模型来实现支持多线程的内存模型：

JMM（Java Memory Model）内存模型规定如下：

所有的变量全部存储在主内存（注意这里包括下面提到的变量，指的都是会出现竞争的变量，包括成员变量、静态变量等，而局部变量（方法体里的变量）这种属于线程私有，不包括在内）
每条线程有着自己的工作内存（可以类比CPU多个核心自己的高速缓存）线程对变量的所有操作，必须在工作内存中进行，不能直接操作主内存中的数据。
不同线程之间的工作内存相互隔离，如果需要在线程之间传递内容，只能通过主内存完成，无法直接访问对方的工作内存。

也就是说，每一条线程如果要操作主内存中的数据，那么得先拷贝到自己的工作内存中，并对工作内存中数据的副本进行操作，操作完成之后，也需要从工作副本中将结果拷贝回主内存中，具体的操作就是Save（保存）和Load（加载）操作。

那么各位肯定会好奇，这个内存模型，结合之前JVM所讲的内容，具体是怎么实现的呢？

主内存：对应堆中存放对象的实例的部分。
工作内存：对应线程的虚拟机栈的部分区域，虚拟机可能会对这部分内存进行优化，将其放在CPU的寄存器或是高速缓存中。比如在访问数组时，由于数组是一段连续的内存空间，所以可以将一部分连续空间放入到CPU高速缓存中，那么之后如果我们顺序读取这个数组，那么大概率会直接缓存命中，就不用多次从内存加载数据到缓存，这就是缓存命中率。

前面我们提到，在CPU中可能会遇到缓存不一致的问题，而Java中，也会遇到，比如下面这种情况：

public class Main {
    private static int i = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 100000; j++) i++;
            System.out.println("线程1结束");
        }).start();
        new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 100000; j++) i++;
            System.out.println("线程2结束");
        }).start();
        //等上面两个线程结束
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(i);
    }
}

可以看到这里是两个线程同时对变量i各自进行100000次自增操作，但是实际得到的结果并不是我们所期望的那样。

输出结果是100000到200000之间，原因就在于Java采用了主内存和工作内存的做法，出现了缓存不一致的情况。
那么为什么会这样呢？在之前学习了JVM之后，相信各位应该已经知道，自增操作实际上并不是由一条指令完成的（注意一定不要理解为一行代码就是一个指令完成的）：

包括变量i的获取、修改、保存，都是被拆分为一个一个的操作完成的，那么这个时候就有可能出现在修改完保存之前，另一条线程也保存了，但是当前线程是毫不知情的。

所以说，我们当时在JavaSE阶段讲解这个问题的时候，是通过synchronized关键字添加同步代码块解决的，当然，我们后面还会讲解另外的解决方案（原子类）

重排序

在编译或执行时，为了优化程序的执行效率，编译器或处理器常常会对指令进行重排序，有以下情况：

编译器重排序：Java编译器通过对Java代码语义的理解，根据优化规则对代码指令进行重排序。
机器指令级别的重排序：现代处理器很高级，能够自主判断和变更机器指令的执行顺序。

指令重排序能够在不改变结果（单线程）的情况下，优化程序的运行效率，比如：

public static void main(String[] args) {
    int a = 10;
    int b = 20;
    System.out.println(a + b);
}

我们其实可以交换第一行和第二行：

public static void main(String[] args) {
    int b = 10;
    int a = 20;
    System.out.println(a + b);
}

即使发生交换，但是我们程序最后的运行结果是不会变的，当然这里只通过代码的形式演示，实际上JVM在执行字节码指令时也会进行优化，可能两个指令并不会按照原有的顺序进行。

虽然单线程下指令重排确实可以起到一定程度的优化作用，但是在多线程下，似乎会导致一些问题：

public class Main {
    private static int a = 0;
    private static int b = 0;
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            if(b == 1) {
                if(a == 0) {
                    System.out.println("A");
                }else {
                    System.out.println("B");
                }   
            }
        }).start();
        new Thread(() -> {
            a = 1;
            b = 1;
        }).start();
    }
}

上面这段代码，在正常情况下，按照我们的正常思维，是不可能输出A的，因为只要b等于1，那么a肯定也是1才对，因为a是在b之前完成的赋值。但是，如果进行了重排序，那么就有可能，a和b的赋值发生交换，b先被赋值为1，而恰巧这个时候，线程1开始判定b是不是1了，这时a还没来得及被赋值为1，可能线程1就已经走到打印那里去了，所以，是有可能输出A的。

volatile关键字

volatile中文意思：易失的。

好久好久都没有认识新的关键字了，今天我们来看一个新的关键字volatile，开始之前我们先介绍三个词语：

原子性：其实之前讲过很多次了，就是要做什么事情要么做完，要么就不做，不存在做一半的情况。
可见性：指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

我们之前说了，如果多线程访问同一个变量，那么这个变量会被线程拷贝到自己的工作内存中进行操作，而不是直接对主内存中的变量本体进行操作，下面这个操作看起来是一个有限循环，但是是无限的：

public class Main {
    private static int a = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            while (a == 0);
            System.out.println("线程结束！");
        }).start();

        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("正在修改a的值...");
        a = 1;   //很明显，按照我们的逻辑来说，a的值被修改那么另一个线程将不再循环，但实际上a=1对另外一个线程不可见，因为都在自己的工作内存里
    }
}

实际上这就是我们之前说的，虽然我们主线程中修改了a的值，但是另一个线程并不知道a的值发生了改变，所以循环中依然是使用旧值在进行判断，因此，普通变量是不具有可见性的。

要解决这种问题，我们第一个想到的肯定是加锁（对变量a加锁访问），同一时间只能有一个线程使用，这样总行了吧，确实，这样的话肯定是可以解决问题的：

public class Main {
    private static int a = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            while (a == 0) {
                synchronized (Main.class){}
            }
            System.out.println("线程结束！");
        }).start();

        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("正在修改a的值...");
        synchronized (Main.class){
            a = 1;
        }
    }
}

但是，除了硬加一把锁的方案，我们也可以使用volatile关键字来解决，此关键字的第一个作用，就是保证变量的可见性。当写一个volatile变量时，JMM会把该线程本地内存中的变量强制刷新到主内存中去，并且这个写会操作会导致其他线程中的volatile变量缓存无效，这样，另一个线程修改了这个变时，当前线程会立即得知，并将工作内存中的变量更新为最新的版本。

那么我们就来试试看：

public class Main {
    //添加volatile关键字
    private static volatile int a = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            while (a == 0);
            System.out.println("线程结束！");
        }).start();

        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("正在修改a的值...");
        a = 1;
    }
}

结果还真的如我们所说的那样，当a发生改变时，循环立即结束。

当然，虽然说volatile能够保证可见性，**但是不能保证原子性，**要解决我们上面的i++的问题，以我们目前所学的知识，还是只能使用加锁来完成：

public class Main {
    private static volatile int a = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable r = () -> {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) a++;
            System.out.println("任务完成！");
        };
        new Thread(r).start();
        new Thread(r).start();

        //等待线程执行完成
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(a);
    }
}

运行结果：

任务完成！
任务完成！
11622

不对啊，volatile不是能在改变变量的时候其他线程可见吗，那为什么还是不能保证原子性呢？还是那句话，自增操作是被瓜分为了多个步骤完成的，虽然保证了可见性，但是只要手速够快，依然会出现两个线程同时写同一个值的问题（比如线程1刚刚将a的值更新为100，这时线程2可能也已经执行到更新a的值这条指令了（虽然线程1那边的结果100可见，但是线程2早一步获取了a的值还是99），已经刹不住车了，所以依然会将a的值再更新为一次100）

那要是真的遇到这种情况，那么我们不可能都去写个锁吧？后面，我们会介绍原子类来专门解决这种问题。

最后一个功能就是volatile会禁止指令重排，也就是说，如果我们操作的是一个volatile变量，它将不会出现重排序的情况，也就解决了我们最上面的问题。（重排序小节最后那个例子，如果a，b变量使用了这个关键字，那就不会发生指令重排，那就不可能输出A。）

那么它是怎么解决的重排序问题呢？若用volatile修饰共享变量（成员变量、静态变量），在编译时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。
下面引用部分了解就行。

内存屏障（Memory Barrier）又称内存栅栏，是一个CPU指令，它的作用有两个：

保证特定操作的顺序
保证某些变量的内存可见性（volatile的内存可见性，其实就是依靠这个实现的）

由于编译器和处理器都能执行指令重排的优化，如果在指令间插入一条Memory Barrier则会告诉编译器和CPU，不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序。

屏障类型指令示例说明
LoadLoad Load1;LoadLoad;Load2 保证Load1的读取操作在Load2及后续读取操作之前执行
StoreStore Store1;StoreStore;Store2 在Store2及其后的写操作执行前，保证Store1的写操作已刷新到主内存
LoadStore Load1;LoadStore;Store2 在Store2及其后的写操作执行前，保证Load1的读操作已读取结束
StoreLoad Store1;StoreLoad;Load2 保证load1的写操作已刷新到主内存之后，load2及其后的读操作才能执行

屏障类型	指令示例	说明
LoadLoad	Load1;LoadLoad;Load2	保证Load1的读取操作在Load2及后续读取操作之前执行
StoreStore	Store1;StoreStore;Store2	在Store2及其后的写操作执行前，保证Store1的写操作已刷新到主内存
LoadStore	Load1;LoadStore;Store2	在Store2及其后的写操作执行前，保证Load1的读操作已读取结束
StoreLoad	Store1;StoreLoad;Load2	保证load1的写操作已刷新到主内存之后，load2及其后的读操作才能执行

所以volatile能够保证，之前的指令一定全部执行，之后的指令一定都没有执行，并且前面语句的结果对后面的语句可见。

最后我们来总结一下volatile关键字的三个特性：

保证可见性
不保证原子性
防止指令重排

之后在写设计模式的博客中在看单例模式下volatile的运用。

happens-before原则

经过我们前面的讲解，相信各位已经了解了JMM内存模型以及重排序等机制带来的优点(提高执行效率)和缺点（多线程下可能导致错误），综上，JMM提出了happens-before（先行发生）原则，定义一些禁止编译优化的场景，来向各位程序员做一些保证，只要我们是按照原则进行编程，那么就能够保持并发编程的正确性。具体如下：

程序次序规则：同一个线程中，按照程序的顺序，前面的操作happens-before后续的任何操作。
同一个线程内，代码的执行结果是有序的。其实就是，可能会发生指令重排，但是保证代码的执行结果一定是和按照顺序执行得到的一致，程序前面对某一个变量的修改一定对后续操作可见的，不可能会出现前面才把a修改为1，接着读a居然是修改前的结果，这也是程序运行最基本的要求。
监视器锁规则：对一个锁的解锁操作，happens-before后续对这个锁的加锁操作。
就是无论是在单线程环境还是多线程环境，对于同一个锁来说，一个线程对这个锁解锁之后，另一个线程获取了这个锁都能看到前一个线程的操作结果。比如前一个线程将变量x的值修改为了12并解锁，之后另一个线程拿到了这把锁，对之前线程的操作是可见的，可以得到x是前一个线程修改后的结果12（所以synchronized是有happens-before规则的）
volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作happens-before后续对这个变量的读操作。
就是如果一个线程先去写一个volatile变量，紧接着另一个线程去读这个变量，那么这个写操作的结果一定对读的这个变量的线程可见。
线程启动规则：主线程A启动线程B，线程B中可以看到主线程启动B之前的操作。
在主线程A执行过程中，启动子线程B，那么线程A在启动子线程B之前对共享变量的修改结果对线程B可见。
线程加入规则：如果线程A执行操作join()线程B并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before线程Ajoin()操作成功返回。
传递性规则：如果A happens-before B，B happens-before C，那么A happens-before C。

那么我们来从happens-before原则的角度，来解释一下下面的程序结果：

public class Main {
    private static int a = 0;
  	private static int b = 0;
    public static void main(String[] args) {
        a = 10;
        b = a + 1;
        new Thread(() -> {
          if(b > 10) System.out.println(a); 
        }).start();
    }
}

首先我们定义以上出现的操作：

A：将变量a的值修改为10
B：将变量b的值修改为a + 1
C：主线程启动了一个新的线程，并在新的线程中获取b，进行判断，如果为true那么就打印a

首先我们来分析，由于是同一个线程，并且B是一个赋值操作且读取了A，那么按照程序次序规则，A happens-before B，接着在B之后，马上执行了C，按照线程启动规则，在新的线程启动之前，当前线程之前的所有操作对新的线程是可见的，所以 B happens-before C，最后根据传递性规则，由于A happens-before B，B happens-before C，所以A happens-before C，因此在新的线程中会输出a修改后的结果10。（其实这个原则就是保证程序执行逻辑和正常思维一致，不至于程序员在写代码时还要考虑一系列的指令重排或可见问题，大大降低了写程序的难度。所以对于这些规则完全不用去背，用到的时候就查一下，这就是为啥它叫八股文，只是应付面试。）