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JAVA线程－内存模型和volatile详解
一、单核内存模型
1、程序运行时，将临时数据存放到Cache中
2、将CPU计算所需要的数据从Cache中拷贝一份到H Cache中
3、CPU直接从H Cache中读取数据进行计算
4、CPU将计算的结果写入H Cache中
5、H Cache将最新的结果值涮入Cache中（何时写入不确定）
6、将Cache中结果数据写回程序（如果有需要，例如文件、数据库）
需要H Cache的原因：CPU的执行速度很快，而向Cache读取或写入数据则相对慢得多，因此，就需要H Cache来弥补。
二、多核内存模型
有2个线程：ThreadA和ThreadB，分别在不同的CUP内运行，并且执行如下代码：
i = 0; i = i + 1;。最后，我们希望i的值为2。
1、ThreadA和ThreadB分别读取i=0的值存入各自的H Cache中，此时H Cache中的i值都为0；ThreadA和ThreadB分别对i进行计算并得到的结果都为1；2个H Cache分别将结果写入Cache，最终，Cache中i的值为1。显然，这不是我们希望得到的结果。这就是著名的：缓存一致性问题。（对单核CPU也会出现同样的问题，只是单核CPU以线程调度的形式来分别执行）
2、缓存一致性问题的解决方法
1）总线加LOCK#锁（效率低下，不可取）
2）缓存一致性协议（这里不详述）
三、并发的三个概念
1、原子性
1）即一个操作或多个操作，要么全部执行并且执行的过程中不会被任何因素打断，要么不执行。
2）有如下代码：i = 9999999999;
假设为一个32位的变量赋值包括2个过程：为低16位赋值，为高16位赋值。现在，可能会发生：ThreadA将低16位数值写入之后，突然被中断，此时，ThreadB读取i的值就会得到错误的结果。
2、可见性
1）是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，其它线程能够立即看到修改的值。
2）ThreadA和ThreadB分别执行如下代码：
ThreadA ：int i = 0;
i = 10;
ThreadB ：int j = i;
（1）当ThreadA执行到i=10时，首先将i的初始值加载到其CPU的H Cache中，然后赋值为10。那么，ThreadA的H Cache中i的值为10，但是，ThreadA却没有立即将H Cache中i的值马上写入Cache中。
（2）此时，ThreadB开始执行，然而Cache中i的值仍然为0，最终，不管怎样，j的值都为0。而不是我们希望j=10那样。
（3）这正是由于ThreadA对i修改后，ThreadB没有立即看到线程ThreadA对i修改的值。
3、有序性
1）即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。
2）指令重排序：即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，它不会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。
3）有如下代码：
int a = 10; //语句1
int r = 2; //语句2
a = a + 3; //语句3
r = a * a; //语句4
可能执行的顺序：1 2 3 4 或 2 1 3 4，不再可能有其它。这是因为处理器需要考虑指令之间的数据依赖性。
4）ThreadA和ThreadB分别执行如下代码：
ThreadA：context = loadContext(); //语句1
inited = ture; //语句2
ThreadB：while(!inited) sleep(); //语句3
doSomething(context); //语句4
如果处理器对ThreadA的指令进行重排，则ThreadB可能在context没有赋值的情况下执行doSomething(context)，从而导致程序运行错误。
可见，原子性、可见性、有序性都不会影响单个线程对代码的执行结果。但是，会影并发执行的正确性。想要程序正确的并发执行，必须同时保证原子性、可见性、有序性。
四、Java确保并发执行的正确性
1、原子性
1）在Java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性的。
2）下面哪些语句是原子操作的
x = 10; // 是原子操作
x = x + 1; // 不是：首先读取x值，在加1，最后赋值
x ++; // 不是：首先读取x值，在加1，最后赋值
y = x; // 不是：首先读取x值，然后赋值
3）如果实现更大范围的原子性，可使用synchronized和Lock来实现。
2、可见性
1）使用volatile来确保可见性：保证了修改的值会立即被更新到Cache并且使其它线程的H Cache中的volatile变量的值无效。
2）也可使用synchronized和Lock来确保可见性：保证了修改的值在锁被释放之前被更新到Cache并且使其它线程的H Cache中的相关变量的值无效。
3、有序性
1）使用volatile来确保真正的有序性：禁止对volatile变量进行指令重排序。
2）synchronized和Lock也能确保的有序性：以单线程执行同步代码块的方式来实现的。
五、volatile变量的详细论述
1、volatile关键字的两层含义：
1）保证可见性
2）禁止指令重排序，保证有序性
（1）当对volatile变量进行读取或写入操作时，在其前面对该volatile变量的操作早已完成并且结果已对当前操作可见，而当前操作的后序操作肯定还没有执行。
（2）进行指令优化时，不能将操作volatile变量前的指令放到volatile变量后执行，也不能将操作volatile变量后的指令放到volatile变量前执行。
注意：volatile关键字不保证原子性
3）例如：
x = 9; //语句1
y = 8; //语句2
volatile flag = ture; //语句3
i = 7; //语句4
k = 6; //语句5
尽管x，y，i，j之间不存在依赖性，但是，语句4和语句5不会被放到语句3之前执行，而语句1和语句2也不会被放到语句3之后执行。
可能执行的顺序有：1，2，3，4，5 或 2，1，3，4，5，或 1，2，3，5，4
或2，1，3，5，4
2、volatile与synchronized的区别
1）共同点
（1）volatile与synchronized都是同步机制的一部分
（2）都实现了可见性和有序性
2）区别
（1）synchronized实现了原子性，而volatile没有
（2）作用的对象不同：volatile作用的是变量，而synchronized作用的是语句块或方法。
（3）对线程的作用不同：volatile不会阻塞线程，而synchronized会阻塞线程，即volatile没有使用监视器，而synchronized使用了监视器。所以，volatile是一种比synchronized更轻量的弱化的同步机制。
六、volatile的正确使用
1、模式一：状态标记
1）没有使用volatile导致的并发问题
ThreadA ：boolean stop = false; ThreadB ：stop = ture;
while(!stop){
//A
doSomething();
}
并发可能不会正确执行：即ThreadA进入死循环
原因：1、ThreadA永远只读其H Cache中stop的值
2、ThreadB只将修改了stop的值保存到其H Cache中
3、即使ThreadA偶尔会从Cache中读取stop的值，如果Thread在A处阻
塞，而此时ThreadB修改了stop的值并且写入Cache，由于ThreadA没有看到Cache中stop值已经修改，即使重新执行，也可能会进入死循环。
2）使用volatile解决
ThreadA ：boolean stop = false; ThreadB ：stop = ture;
while(!stop){
//A
doSomething();
}
2、模式二：Double－check(在单例模式中的使用)
private volatile static Singleton instance;
public stratic Singleton getInstance(){
if(instance == null){
synchronized(Singleton.class){
if(instance == null){ instance = new Singleton();}
}
}
}
这是volatile与synchronized配合使用的经典案例。
3、模式三：开销较低的读－写锁策略
public class CheesyCounter{
//All mutative operations msut be done with the ‘this’lock held
@GuardedBy(“this”) private volatile int value;
public int getVulue(){return value;}
public synchronized int increment(){ return value++;}
}
1）volatile与synchronized配合使用的另一个经典案例
2）如果读操作远远超过写操作，可以结合使用锁和volatile变量来减少公共代码路径的开销，例如本例。
3）计数器必须使用synchronized来确保增量操作是原子的，同时使用volatile保证当前结果的可见性。
4）如果更新不频繁，读取的开销仅仅涉及volatile操作，这由于一个无竞争锁获取的开销。
网上有评论：本模式中value不使用volatile也能实现ThreadSave，因为increment()
使用了synchronized，真的这样吗？答案是否定的，如果ThreadA正进
行increment()，注意synchronized只实现了对increment()的互斥访问，而没有实现对value的互斥访问，而ThreadB也在进行getVulue()，那么ThreadB将会的到一个失效的value值，因为ThreadB不知道ThreadA正在对value进行修改。
4、模式四：一次性安全发布，发布不可变对象或线程安全的对象
public class Test{
public volatile FinalObject object;
public void CreateObject(){object = new FinalObject(…);} //ThreadA
public void doWork(){ //ThreadB
while(ture){ //轮询
if(object != null){doSomething(object);}
}
}
}
1）发布：使对象能够在当前线程作用域之外的代码中使用。
2）如果object引用不是一个volatile型，doWork()对object的引用可能得到一个不完全构造的的FinalObject。
3）必须注意：object本身必须是线程安全的。
4）volatile类型确保了发布形式的可见型，但如果object的状态在发布后可变，那么就需要额外的同步。
5）这个案例还展示出：在不使用阻塞的前提下，阻塞另一个线程的执行（尽管这不是真正的阻塞，但起到了阻塞的作用）。
网上评论：volatile不足以实现安全发布，原因在于object在构造过程中可能被中断。我们应当记得volatile有一个很重要的特性：禁止对volatile变量进行指令重排序。即中断指令要么在object在构造前执行，要么在object在构造后执行，不可能出现在构造过程中。
5、模式五：独立观察
public class UserManager{
public volatile String lastUser;
public boolean authenticate(String userName, String password){
boolean valid = passwordIsValid(user, password);
if(valid){
User u = new User(userName, password);
activeUsers.add(u);
lasstUser = user;
}
return valid;
}
………
}
1）本例展示了身份机制如何记忆最近一次登陆的用户的名字，并将反复使用lastUser引用来发布值，以供程序的其它部分使用。
2）该模式的另一个使用是收集程序的统计信息或定期（不定期）发布信息
3）这个模式要求：（1）被发布的值是有效不可变的－即值的状态在发布后不会更改（下一次发布已经是一个新的值，而不是在原有值的基础上的改变）
（2）使用发布值的代码需要清楚该值可能随时发生变化。
6、模式六：volatile－bean模式
@ThreadSafe
public class Person{
private volatile Stirng name;
private volatile int age;
public String getName(){return name;}
public int getAge(){return age;}
public void setName(String name){this.name = name;}
public void setAge(int age){this.age = age;}
}
1）原理：很多框架为易变数据的持有者（例如HttpSession）提供了容器，但是放入这些容器中的对象必须是线程安全的。
2）volatile－bean模式的所有成员都必须是volatile并且有效不可变，同时只能有getter和setter方法。
四、volatile变量的使用原则
1、写入变量不依赖此变量的值，或只有一个线程修改此变量
2、变量不与其它变量共同参与不变约束
3、访问变量不需要加锁