JUC系列整體欄目

一，深入理解JMM內(nèi)存模型

1，什么是可見性

在談jmm的內(nèi)存模型之前，先了解一下并發(fā)并發(fā)編程的三大特性，分別是：可見性，原子性，有序性。可見性指的就是當(dāng)一個(gè)線程修改某個(gè)變量的值之后，其他的線程可以立馬感知到。

接下來(lái)看一個(gè)例子，看一個(gè)線程改變值之后，另一個(gè)線程能否立馬感知到這個(gè)值被改變了。

public class JmmTest {
    private boolean flag = true;
    private int count = 0;

    public void refresh() {
        flag = false;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "修改flag:"+flag);
    }

    public void load() {
        while (flag) {
            //TODO  業(yè)務(wù)邏輯
            count++;
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "跳出循環(huán): count=" + count);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        JmmTest test = new JmmTest();

        // 線程threadA模擬數(shù)據(jù)加載場(chǎng)景
        Thread threadA = new Thread(() -> test.load(), "threadA");
        threadA.start();

        // 讓threadA執(zhí)行一會(huì)兒
        Thread.sleep(1000);
        // 線程threadB通過(guò)flag控制threadA的執(zhí)行時(shí)間
        Thread threadB = new Thread(() -> test.refresh(), "threadB");
        threadB.start();
    }
}

可以發(fā)現(xiàn)以上操作，線程A先加載這個(gè)flag值，由于是true，因此一直處于while循環(huán)中空轉(zhuǎn)，但是線程B隨后修改了這個(gè)值，但是可以發(fā)現(xiàn)線程A是還在這個(gè)while循環(huán)中的，并沒(méi)有跳出循環(huán)，其結(jié)果值如下：

threadB修改flag:false

也就是說(shuō)，在一個(gè)正常的多線程之間的通信，是不能夠直接的進(jìn)行通信的，因此這就需要了解JMM的底層原理了

2，什么是JMM

Java Memory Model ，就是JMM的全稱，意思是java內(nèi)存模型。主要用于規(guī)范java虛擬機(jī)和計(jì)算機(jī)內(nèi)存時(shí)如何協(xié)調(diào)工作的，規(guī)定了當(dāng)一個(gè)線程改變某個(gè)共享變量值后，其他線程需要如何查看以及合適可以查看這個(gè)被改變的共享數(shù)據(jù)。

jmm的內(nèi)存模型如下，java采用的是共享變量的模型方式，在創(chuàng)建一個(gè)共享變量之后，這些共享變量時(shí)存儲(chǔ)在主內(nèi)存中的，所有線程都能訪問(wèn)，但是每個(gè)線程需要操作這個(gè)變量時(shí)，需要先將這個(gè)值加載到每個(gè)線程的工作內(nèi)存中，即每個(gè)線程都有對(duì)應(yīng)棧幀，將這個(gè)值加入到局部變量表即可，就成為了共享變量的一個(gè)副本，隨后線程A才能去修改這個(gè)值

而由于主內(nèi)存中的變量都是共享變量，因此為了解決并發(fā)問(wèn)題，在JMM內(nèi)部又引入了八大原子操作

1，lock：作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)變量標(biāo)記為一條線程獨(dú)占狀態(tài)
2，unlock：把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來(lái)，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定
3，read(讀取)：作用于主內(nèi)存中，需要先對(duì)變量進(jìn)行副本的拷貝，然后將變量值傳輸?shù)焦ぷ鲀?nèi)存中
4，load(載入)：在工作內(nèi)存中，需要對(duì)傳輸過(guò)來(lái)的副本變量進(jìn)行一個(gè)獲取，并且存入到工作內(nèi)存中
5，use(使用)： 需要將獲取的變量傳給執(zhí)行引擎
6，assign(賦值)：執(zhí)行引擎會(huì)將這個(gè)收到的變量賦值給工作內(nèi)存的變量
7，store(存儲(chǔ))：修改這個(gè)傳過(guò)來(lái)的副本之后，會(huì)將修改的值存儲(chǔ)并送到主內(nèi)存中
8，write(寫入)：會(huì)將這個(gè)存儲(chǔ)的變量寫回到主內(nèi)存中，即修改主內(nèi)存的值

如當(dāng)一個(gè)線程去修改主內(nèi)存中的共享變量的方式如下，比如說(shuō)內(nèi)存中的 x = 5 進(jìn)行 +1 的操作如下圖所示，首先線程A會(huì)read讀取主內(nèi)存中的x = 5的值，隨后將讀取到的值load載入到線程A的本地內(nèi)存中，一般棧幀中存放變量的都是這個(gè)局部變量表，隨后會(huì)通過(guò)use的指令使用這個(gè)變量，將這個(gè)值加入到cpu中，結(jié)果cpu內(nèi)部的運(yùn)算之后，此時(shí) x = 6，會(huì)通過(guò)assign方式將這個(gè)結(jié)果值從cpu返回到本地內(nèi)存中，隨后將這個(gè)值返回到主內(nèi)存中，并通過(guò)store的方式將這個(gè)值存儲(chǔ)，最后將被修改的變量寫回到主內(nèi)存中。

同時(shí)在使用這八種原子操作時(shí)，需要滿足以下的規(guī)則

• 如果要把一個(gè)變量從主內(nèi)存中復(fù)制到工作內(nèi)存，就需要按順尋地執(zhí)行read和load操作， 如果把變量從工作內(nèi)存中同步回主內(nèi)存中，就要按順序地執(zhí)行store和write操作。但Java內(nèi)存模型只要求上述操作必須按順序執(zhí)行，而沒(méi)有保證必須是連續(xù)執(zhí)行。
• 不允許read和load、store和write操作之一單獨(dú)出現(xiàn)
• 不允許一個(gè)線程丟棄它的最近assign的操作，即變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須同步到主內(nèi)存中。
• 不允許一個(gè)線程無(wú)原因地（沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何assign操作）把數(shù)據(jù)從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中。
• 一個(gè)新的變量只能在主內(nèi)存中誕生，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個(gè)未被初始化（load或assign）的變量。即就是對(duì)一個(gè)變量實(shí)施use和store操作之前，必須先執(zhí)行過(guò)了assign和load操作。
• 一個(gè)變量在同一時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作，但lock操作可以被同一條線程重復(fù)執(zhí)行多次，多次執(zhí)行l(wèi)ock后，只有執(zhí)行相同次數(shù)的unlock操作，變量才會(huì)被解鎖。lock和unlock必須成對(duì)出現(xiàn)
• 如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值
• 如果一個(gè)變量事先沒(méi)有被lock操作鎖定，則不允許對(duì)它執(zhí)行unlock操作；也不允許去unlock一個(gè)被其他線程鎖定的變量。
• 對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步到主內(nèi)存中（執(zhí)行store和write操作）。

3，引入volatile

在了解完這個(gè)jmm內(nèi)存模型之后，知道java線程之間是如何進(jìn)行線程通信的，再回到這個(gè) JmmTest 方法中，現(xiàn)在可以大膽的猜測(cè)一下，是不是因?yàn)榫€程B修改完值后，沒(méi)有人去通知線程A？所以才導(dǎo)致值沒(méi)有發(fā)生變化

因此接下來(lái)繼續(xù)驗(yàn)證，就是直接在這個(gè)flag變量前面增加一個(gè)關(guān)鍵字 volatile

private volatile boolean flag = true;

其結(jié)果如下，可以得出結(jié)論，線程A跳出了循環(huán)，就是意味著線程A接收到了這個(gè)最新的值

threadB修改flag:false
threadA跳出循環(huán): count=399766740

因此查閱了一些資料，以及看了一下hotspot里面關(guān)于這個(gè)volatile關(guān)鍵字的源碼，可以發(fā)現(xiàn)這個(gè)關(guān)鍵字是通過(guò)一個(gè)JVM的內(nèi)存屏障來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

storeload();  //jvm內(nèi)存屏障，在匯編指令中，對(duì)應(yīng)著lock關(guān)鍵字

內(nèi)存屏障可以禁止該指令與前面和后面的讀寫指令重排序，并且可以使其他線程中的本地內(nèi)存中的該值直接失效，這樣其他內(nèi)存就需要去主內(nèi)存中獲取改值，就能拿到最新的值了。因此volatile是通過(guò)內(nèi)存屏障的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可見性和有序性的。

除了這個(gè)volatile關(guān)鍵字之外，另外像synchronized，lock等這些鎖底層都是采用了這個(gè)內(nèi)存屏障來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此這些重量級(jí)鎖肯定也是可以保證可見性和有序性的，同時(shí)由于是重量級(jí)操作，除了這兩種之外，他們同時(shí)還能保證原子性。

除了內(nèi)存屏障可以保證可見性之外，關(guān)鍵字final也是可以保證可見性的?？偠灾鼙ＷC可見性的方式只有兩種：一種是內(nèi)存屏障，一種是上下文切換

4，cpu緩存架構(gòu)

在cpu中，主要由寄存器，程序計(jì)數(shù)器，高速緩存，邏輯運(yùn)算單元組成，高速緩存又分了三級(jí)緩存，分別是一級(jí)緩存、二級(jí)緩存和三級(jí)緩存，一級(jí)緩存中又分為兩部分，一個(gè)用于存儲(chǔ)指令，一個(gè)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在inter處理器中，一個(gè)cpu又分為兩個(gè)處理器，因此會(huì)存在兩個(gè)cpu共享一個(gè)三級(jí)緩存的情況。

使用高速緩存主要是減少等待內(nèi)存的時(shí)間，提升CPU的計(jì)算能力

接下來(lái)根據(jù)這個(gè)緩存架構(gòu)再舉一個(gè)例子，現(xiàn)在有兩個(gè)線程，分別是線程thread1和線程thread2，假設(shè)主內(nèi)存中有一個(gè)值x=100，接下來(lái)兩個(gè)線程同時(shí)去讀這個(gè)100，線程1加對(duì)這個(gè)值加10，線程2對(duì)這個(gè)值加20，那么根據(jù)JMM的八大原子操作，此時(shí)線程1的CPU的值為110，線程2的CPU的值為120，最終會(huì)將這個(gè)值寫回主內(nèi)存中。

那么此時(shí)主內(nèi)存就會(huì)出現(xiàn)兩種情況，如果線程1先寫回，線程2后寫回，那么線程2會(huì)將線程1寫回的值覆蓋掉，此時(shí)；如果線程2先寫回，線程后寫回，那么線程會(huì)將線程2寫回的值給覆蓋掉，這就是經(jīng)典的線程不安全問(wèn)題

造成這種原因的主要問(wèn)題，是因?yàn)榫彺娌灰恢碌膯?wèn)題。 即線程1的高速緩存的值和線程2的高速緩存的值不一致所導(dǎo)致的，因此為了解決這種緩存一致性的問(wèn)題，主要有兩種解決方式：嗅探機(jī)制、基于目錄的機(jī)制

5，嗅探機(jī)制

再了解完這個(gè)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不安全的原因是由于緩存不一致的問(wèn)題，因此為了解決這個(gè)硬件層面的緩存一致性，最流行的還是使用這種嗅探機(jī)制。

其工作原理如下：就是說(shuō)如果存在多個(gè)緩存被共享的時(shí)候，如果有處理器修改了共享變量的值，那么必須傳播到其他所有具有該變量的副本中，通過(guò)這種傳播機(jī)制來(lái)防止系統(tǒng)違反緩存的一致性。就是說(shuō)，數(shù)據(jù)的變更通知是通過(guò)總線來(lái)完成的。當(dāng)其他緩存接收到這個(gè)通知信息之后，可以選擇重新的在主內(nèi)存中刷新數(shù)據(jù)，也可以直接讓當(dāng)前緩存中的值直接失效，具體是哪種做法，還得取決于使用哪種緩存一致性協(xié)議。

寫失效：就是某個(gè)處理器將值改完之后，直接通知其他處理器，讓其他處理器的緩存值失效

寫更新：就是處理器將值修改完之后，在通知其他處理器的時(shí)候，直接將值攜帶上，讓其他的處理器緩存值更新

總線的帶寬是有效的，因此寫失效的使用范圍是最廣的。MSI、MESI、MOSI、MOESI等是最常見的緩存一致性協(xié)議

6，解決緩存一致性的MESI

為了解決緩存一致性，使用最多的方式是這種MESI的方式，總共有四種狀態(tài)，分別是

• M：modify，修改狀態(tài)
• E：Exclusive，獨(dú)占狀態(tài)
• S：Share，共享狀態(tài)
• I：Invalid，失效狀態(tài)

當(dāng)工作內(nèi)存將主內(nèi)存的值加載到高速緩存之后，假設(shè)此時(shí)只有當(dāng)前線程thread1加載了X=5，那么此時(shí)X是一個(gè)Exclusive獨(dú)占狀態(tài)，如果此時(shí)線程thread2也加載了這個(gè)值，那么此時(shí)該值則會(huì)從一個(gè)獨(dú)占狀態(tài)變成一個(gè)Share共享狀態(tài)，如果此時(shí)線程thread1要修改這個(gè)值，那么在修改這個(gè)值后，X就會(huì)從一個(gè)共享狀態(tài)變?yōu)橐粋€(gè)Modify修改狀態(tài)，并且在回顯的時(shí)候被總線窺探到，總線就會(huì)發(fā)起請(qǐng)求告訴其他的線程這個(gè)被修改的值，讓其他的線程緩存里面的改值直接失效Invalid，那么其他線程就可以去獲取最新的值。

但是該協(xié)議并不是會(huì)直接生效，而是需要在特定的時(shí)候生效，就是需要一個(gè)lock前綴指令才可以滿足該協(xié)議，如一些常見的volatile，synchronized，lock等關(guān)鍵字。這樣才能解決這種緩存一致性的問(wèn)題。但是volatile并不能保證原子性。

并且在某個(gè)線程更新了某個(gè)值之后，刷新主內(nèi)存的線程會(huì)立即執(zhí)行，這樣才能讓其他已經(jīng)處于失效的線程立馬的回到主內(nèi)存中去更新改值，從而線程在獲取值時(shí)減少數(shù)據(jù)的臟讀問(wèn)題以及長(zhǎng)時(shí)間等待的問(wèn)題。 通過(guò)緩存一致性，來(lái)保證在多線程的情況下實(shí)現(xiàn)共享變量的可見性

除了緩存一致性協(xié)議之外，還有總線一致性協(xié)議，由于總線一致性的性能問(wèn)題，緩存一致性協(xié)議才得以出現(xiàn)。

7，JMM內(nèi)存可見性的保證

在單線程中：由于需要保證 else-if-serial 規(guī)范，即不管如何進(jìn)行指令重排，都必須要保證最終結(jié)果的一致性，因此，單線程不存在內(nèi)存可見性的問(wèn)題，不管是編譯器還是及時(shí)處理器等，都必須保證和原始順序所執(zhí)行的結(jié)果值相同

在正確同步的多線程中：如在加鎖的情況下，JMM在內(nèi)部會(huì)禁止指令重排的操作，并且在底層會(huì)通過(guò)內(nèi)存屏障的操作來(lái)操作底層硬件，從而實(shí)現(xiàn)可見性和有序性的操作。

未同步的多線程：JMM不能保證未同步的執(zhí)行結(jié)果與順序一致性的結(jié)果一致。由于在JVM中，存在一些JIT即時(shí)編譯器以及解釋器的一些優(yōu)化等，因此就會(huì)出現(xiàn)指令重排的情況。

x = 10;						y = 100;													
y = 100;          ====>		x = 10;
z = x + 10;					z = x + 10;

舉個(gè)例子，如在單例模式加鎖的雙重檢測(cè)中，需要在對(duì)象的前面加一個(gè)關(guān)鍵字 volatile，如果不加的話，在new對(duì)象的時(shí)候，會(huì)經(jīng)歷以下步驟：開辟內(nèi)存空間，堆內(nèi)存初始化，棧中對(duì)象指向堆中對(duì)象。這里就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，由于new對(duì)象并沒(méi)有保證這個(gè)原子操作，因此就會(huì)出現(xiàn)指令重排的情況，就是可能會(huì)先指向堆中的對(duì)象，再在堆內(nèi)存中初始化，就是第二步和第三步的順序可能會(huì)發(fā)生改變。

public class SingletonTest{
    private volatile static SingletonTest instance = null;
    private SingletonTest() {}

    public static SingletonTest getInstance() {
            if (instance == null) {
                synchronized (SingletonTest.class) {
                    if (instance == null) {
                        //在不加volatile或者其他鎖的情況下
                        //可能會(huì)出現(xiàn)指令重排的情況
                        instance = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return instance;
     }
}

那在多線程的情況下，在第一個(gè)線程正好執(zhí)行到發(fā)生指令重排的第二步，就是指向了一個(gè)堆中的對(duì)象，但還沒(méi)有初始化，只是經(jīng)歷了實(shí)例化，而第二個(gè)線程進(jìn)行第一個(gè)if判斷的時(shí)候，此時(shí)并沒(méi)有加鎖，所以發(fā)現(xiàn)不為null，就直接return了，但是return的是一個(gè)你有進(jìn)行初始化的一個(gè)值，因此返回的對(duì)象肯定是有問(wèn)題的

所以為了解決這個(gè)指令重排的問(wèn)題，就需要在這個(gè)對(duì)象上面加上volatile這個(gè)關(guān)鍵字了，這樣就能禁止指令重排了

private volatile static SingletonTest instance = null;

8，內(nèi)存屏障

在jvm和硬件層面都有實(shí)現(xiàn)內(nèi)存屏障的方式。

在jvm層面，在JSR規(guī)范中定義了四種內(nèi)存屏障，分別是LoadStore，LoadLoad，StoreLoad，StoreStore。Load操作可以當(dāng)做成是一個(gè)read讀取操作，Store操作可以當(dāng)做成是一個(gè)寫入操作，兩個(gè)操作之間相當(dāng)于加了一個(gè)一堵墻，從而保證兩個(gè)操作的順序不被打亂

LoadStore：在store2指令寫入數(shù)據(jù)之前，保證數(shù)據(jù)一定被load1指令先寫入進(jìn)去

LoadLoad：在Load2指令讀取數(shù)據(jù)之前，保證數(shù)據(jù)一定被load1指令先讀取出來(lái)

StoreLoad：在Load2指令讀取數(shù)據(jù)之前，保證數(shù)據(jù)一定被Store指令寫入進(jìn)去

StoreStore：在store2指令寫入數(shù)據(jù)之前，保證數(shù)據(jù)一定被load1指令讀取出來(lái)

并且以上的寫入操作，都是可以實(shí)現(xiàn)所有的處理器都可以感知到數(shù)據(jù)的變化，即保證可見性。當(dāng)前jvm底層實(shí)現(xiàn)內(nèi)存屏障的方式主要是通過(guò)這個(gè)StoreLoad方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在硬件層面，也提供了一系列的內(nèi)存屏障的方式保證數(shù)據(jù)的一致性，主要是通過(guò)ifence和sfence來(lái)實(shí)現(xiàn)讀寫屏障，也可以通過(guò)Lock前綴來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)類似于內(nèi)存屏障的功能。但是在JMM內(nèi)存模型中屏蔽了這種底層硬件帶來(lái)的差異，直接由JVM來(lái)為不同的平臺(tái)生成相應(yīng)的字節(jié)碼。通過(guò)內(nèi)存屏障的方式，來(lái)保證共享變量的有序性

9，為何多線程的累加值總是小于期待值

了解這個(gè)JMM的內(nèi)存模型之后，接下來(lái)通過(guò)之前的多線程的系列的文章，來(lái)對(duì)上述這個(gè)問(wèn)題做一個(gè)初步的了解。

count++;

由于在java中，實(shí)現(xiàn)線程的方式是使用的內(nèi)核態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)的多線程，也就是說(shuō)開發(fā)者只能通過(guò)內(nèi)核去調(diào)用操作系統(tǒng)，再去調(diào)用線程，因此開發(fā)人員并不能控制線程，因此就不能控制上下文切換等，并且實(shí)現(xiàn)線程的方式是搶占式的方式實(shí)現(xiàn)，所以在累加操作中，某個(gè)值可能只執(zhí)行了一半，就出現(xiàn)了cpu中時(shí)間片的切換，導(dǎo)致這個(gè)值被其他線程操作，如果是在多線程的情況下，兩個(gè)線程同時(shí)操作一個(gè)值，就會(huì)出現(xiàn)這種值被覆蓋的問(wèn)題。因此最終出現(xiàn)的結(jié)果會(huì)小于期待值

其次是通過(guò)JMM模型可知，每個(gè)線程都有屬于自己的工作區(qū)間，但是每個(gè)線程在將值修改之后，其他線程并不能感知到，就是無(wú)法保證可見性的問(wèn)題，因此也會(huì)出現(xiàn)大量的值被覆蓋。所以累加的結(jié)構(gòu)也會(huì)小于期待值

因此需要通過(guò)加鎖的方式強(qiáng)行保證線程間執(zhí)行順序，以及需要通過(guò)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存屏障的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)線程間的可見性和有序性以及原子性。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-661302.html

到了這里，關(guān)于【JUC系列-01】深入理解JMM內(nèi)存模型的底層實(shí)現(xiàn)原理的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！