并发编程-（3）Java内存模型和volatile

时间：2021-07-25 17:01:39

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1、内存模型概念

我们都知道，计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。

　　高速缓存就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。举个简单的例子，比如i = i + 1，当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。

　　这个代码在单线程中运行是没有任何问题的，但是在多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中，每条线程可能运行于不同的CPU中，因此每个线程运行时有自己的高速缓存（对单核CPU来说，其实也会出现这种问题，只不过是以线程调度的形式来分别执行的）。本文我们以多核CPU为例。

　　比如同时有2个线程执行这段代码，假如初始时i的值为0，那么我们希望两个线程执行完之后i的值变为2。但是事实可能存在下面这种情况：初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加1操作之后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。

​ 最终结果i的值是1，而不是2。这就是缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。

　　也就是说，如果一个变量在多个CPU中都存在缓存（一般在多线程编程时才会出现），那么就可能存在缓存不一致的问题。

为了解决缓存不一致性问题，通常来说有以下2种解决方法：

  1. 通过在总线加LOCK#锁的方式
  2. 通过缓存一致性协议

　　这2种方式都是硬件层面上提供的方式。

　　在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

　　但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。

　　所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

2、多线程的特性

1.1、原子性

即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。

一个很经典的例子就是银行账户转账问题：
比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

我们操作数据也是如此，比如i = i+1；其中就包括，读取i的值，计算i，写入i。这行代码在Java中是不具备原子性的，则多线程运行肯定会出问题，所以也需要我们使用同步和lock这些东西来确保这个特性了。

原子性其实就是保证数据一致、线程安全一部分，

1.2、可见性

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。

若两个线程在不同的cpu，那么线程1改变了i的值还没刷新到主存，线程2又使用了i，那么这个i值肯定还是之前的，线程1对变量的修改线程没看到这就是可见性问题。

1.3、有序性

程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

一般来说处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。如下：

int a = 10; //语句1

int r = 2; //语句2

a = a + 3; //语句3

r = a*a; //语句4

则因为重排序，他还可能执行顺序为 2-1-3-4，1-3-2-4
但绝不可能 2-1-4-3，因为这打破了依赖关系。
显然重排序对单线程运行是不会有任何问题，而多线程就不一定了，所以我们在多线程编程时就得考虑这个问题了。

2、Java内存模型

2.1、JMM和JVM

  • JMM：Java内存模型，多线程相关，主要决定一个线程对共享变量写操作是，其他线程是否可见。
  • JVM：Java虚拟机模型，其中jvm结构中主要谈到的是方法区、堆、栈、老年代、新生代的这些问题。

2.2、Java内存模型（JMM）

  • 主内存：共享变量

  • 本地内存：共享变量副本

并发编程-（3）Java内存模型和volatile

2.2.1、案例

package com.fly.thread_demo.demo_2;

/**
 * volatile 关键字
 */
public class VolatileDemo extends Thread{

    private  Boolean flag = true;

    public void setFlag(Boolean flag){
        this.flag = flag;
    }

    @Override
    public void run(){
        System.out.println("线程开始...");
        while (flag){

        }
        System.out.println("线程结束...");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        VolatileDemo vd = new VolatileDemo();
        vd.start();
        Thread.sleep(3000);
        vd.setFlag(false);
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(vd.flag);
    }
}

并发编程-（3）Java内存模型和volatile

因为我在主线程中flag设置为false，但是子线程一直拿到的是本地内存中的副本，所以就算我们把flag设置为false，子线程依旧会一直运行下去。

https://blog.csdn.net/ft305977550/article/details/78769573 (System.out.println对线程安全的影响)

解决方案：private volatile Boolean flag = true; 在共享变量前加关键字volatile，修饰

2.2.2、volatile作用

  1. 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
  2. 禁止进行指令重排序。

上述案例如果把flag用volatile修饰过后就不一样了，第一：使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存；第二：使用volatile关键字的话，当主线程进行修改时，会导致子线程的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；第三：由于子线程的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效，所以子线程再次读取变量flag的值时会去主存读取。那么在主线程修改flag值时（当然这里包括2个操作，修改主线程工作内存中的值，然后将修改后的值写入内存），会使得子线程的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效，然后子线程读取时，发现自己的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后，然后去对应的主存读取最新的值。那么子线程读取到的就是最新的正确的值。

2.3、重排序

2.3.1、什么是重排序

int a = 1;  //1
int b = 2;  //2
int c = a+b;//3

编译器重排序的典型就是通过调整指令顺序，在不改变程序语义的前提下，尽可能的减少寄存器的读取、存储次数，充分复用寄存器的存储值。重排序只会对没有依赖关系的指令进行重排序，并不会对有依赖关系的进行重排序

比如，我们第1行 和第2行 没有任何关系，所以先执行1 还是2 都不会影响语义，但是第3行就不一样了，他依赖1,2行，所以编译器不会对第3行就行重排序

2.3.2、重排序如何影响线程安全

package com.fly.thread_demo.demo_2;

/**
 * 重排序
 */
public class SortThreadDemo {
    /**
     * 共享变量
     */
    private int a = 0;
    private boolean flag = false;

    /**
     * 线程1
     */
    public void write(){
        a = 1;          //1
        flag = true;    //2
    }

    /**
     * 线程2
     */
    public void read(){
        if(flag){       //3
            a  = a + a ;//4
        }
    }

}

我们假设有两个线程 分别执行 write 方法和read方法，如果没有重排序，当flag是true是时候，a的值肯定是1,这个时候第4行代码结果是a = 2；但是第1行和第2行代码没有依赖关系，可能会发生重排序，如果发生了重排序，先执行了2 ，这个时候线程1挂起了，这个时候a=0；flag = true;线程2在执行的时候a = 0；这样就产生线程安全问题了，同样volatile可以禁止重排序，就不会发生这个问题了。

private volatile int a = 0;
private volatile boolean flag = false;

2.4、总结

  1. volatile可以保证线程的可见性，但是不能保证原子性，可以禁止重排序。
  2. synchronized 既可以保证可见性，又可以保证原子性。
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