java并发编程六 共享模型之内存

Java 内存模型

JMM 即 Java Memory Model，它定义了主存、工作内存抽象概念，底层对应着 CPU 寄存器、缓存、硬件内存、CPU 指令优化等。

JMM 体现在以下几个方面

• 原子性 - 保证指令不会受到线程上下文切换的影响
• 可见性 - 保证指令不会受 cpu 缓存的影响
• 有序性 - 保证指令不会受 cpu 指令并行优化的影响

可见性

退不出的循环
先来看一个现象，main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致了 t 线程无法停止：

static boolean run = true;
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Thread t = new Thread(()->{
 while(run){
 // ....
        }
    });
 t.start();
 }
 sleep(1);
 run = false; // 线程t不会如预想的停下来

为什么呢？分析一下：

1. 初始状态， t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存。
   

2. 因为 t 线程要频繁从主内存中读取 run 的值，JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中，减少对主存中 run 的访问，提高效率
   

3. 1 秒之后，main 线程修改了 run 的值，并同步至主存，而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量的值，结果永远是旧值
   

解决方法

volatile（易变关键字）
它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存
可见性 vs 原子性
前面例子体现的实际就是可见性，它保证的是在多个线程之间，一个线程对 volatile 变量的修改对另一个线程可见， 不能保证原子性，仅用在一个写线程，多个读线程的情况： 上例从字节码理解是这样的：

getstatic     run   // 线程 t 获取 run true 
getstatic     run   // 线程 t 获取 run true 
getstatic     run   // 线程 t 获取 run true 
getstatic     run   // 线程 t 获取 run true 
putstatic     run  //  线程 main 修改 run 为 false， 仅此一次 
getstatic     run   // 线程 t 获取 run false 

比较一下之前我们将线程安全时举的例子：两个线程一个 i++ 一个 i-- ，只能保证看到最新值，不能解决指令交错

// 假设i的初始值为0 
getstatic     i  // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0 
getstatic     i  // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0 
iconst_1         // 线程1-准备常量1 
iadd             // 线程1-自增 线程内i=1 
putstatic     i  // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1 
iconst_1         // 线程2-准备常量1 
isub             // 线程2-自减 线程内i=-1 
putstatic     i  // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1 

注意 synchronized 语句块既可以保证代码块的原子性，也同时保证代码块内变量的可见性。但缺点是synchronized 是属于重量级操作，性能相对更低如果在前面示例的死循环中加入 System.out.println() 会发现即使不加 volatile 修饰符，线程 t 也能正确看到

有序性

JVM 会在不影响正确性的前提下，可以调整语句的执行顺序，思考下面一段代码

static int i;
static int j;
 // 在某个线程内执行如下赋值操作
i = ...; 
j = ...; 

可以看到，至于是先执行 i 还是 先执行 j ，对最终的结果不会产生影响。所以，上面代码真正执行时，既可以是

i = ...; 
j = ...;

也可以是

j = ...;
i = ...; 

这种特性称之为『指令重排』，多线程下『指令重排』会影响正确性。为什么要有重排指令这项优化呢？从 CPU执行指令的原理来理解一下吧

• 原理之指令级并行
  诡异的结果

int num = 0;
boolean ready = false;
 // 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
 if(ready) {
 r.r1 = num + num;
    } 
else {
 r.r1 = 1;
    }
 }
 // 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) {        
num = 2;
 ready = true;    
}

I_Result 是一个对象，有一个属性 r1 用来保存结果，问，可能的结果有几种？
有同学这么分析
情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1
情况2：线程2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结果为1
情况3：线程2 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）
但我告诉你，结果还有可能是 0 😁😁😁，信不信吧！
这种情况下是：线程2 执行 ready = true，切换到线程1，进入 if 分支，相加为 0，再切回线程2 执行 num = 2
相信很多人已经晕了 😵😵😵
这种现象叫做指令重排，是 JIT 编译器在运行时的一些优化，这个现象需要通过大量测试才能复现：
借助 java 并发压测工具 jcstress https://wiki.openjdk.java.net/display/CodeTools/jcstress

mvn archetype:generate  -DinteractiveMode=false -DarchetypeGroupId=org.openjdk.jcstress - DarchetypeArtifactId=jcstress-java-test-archetype -DarchetypeVersion=0.5 -DgroupId=cn.onenewcode DartifactId=ordering -Dversion=1.0 

创建 maven 项目，提供如下测试类

@JCStressTest
 @Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
 @Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!")
 @State
 public class ConcurrencyTest {
 int num = 0;
 boolean ready = false;
@Actor
 public void actor1(I_Result r) {
 if(ready) {
 r.r1 = num + num;
        } 
else {
 r.r1 = 1;
        }
    }
 @Actor
 public void actor2(I_Result r) {
 num = 2;
 ready = true;
    }
 }

执行

mvn clean install 
java -jar target/jcstress.jar 

会输出我们感兴趣的结果，摘录其中一次结果：

*** INTERESTING tests 
  Some interesting behaviors observed. This is for the plain curiosity. 
  2 matching test results. 
      [OK] test.ConcurrencyTest 
    (JVM args: [-XX:-TieredCompilation]) 
  Observed state   Occurrences              Expectation  Interpretation 
               0         1,729   ACCEPTABLE_INTERESTING  !!!! 
               1    42,617,915               ACCEPTABLE  ok 
               4     5,146,627               ACCEPTABLE  ok 
      [OK] test.ConcurrencyTest 
    (JVM args: []) 
  Observed state   Occurrences              Expectation  Interpretation 
               0         1,652   ACCEPTABLE_INTERESTING  !!!! 
               1    46,460,657               ACCEPTABLE  ok 
               4     4,571,072               ACCEPTABLE  ok 

可以看到，出现结果为 0 的情况有 638 次，虽然次数相对很少，但毕竟是出现了。

解决方法

volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排

@JCStressTest
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
 @Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!")
 @State
 public class ConcurrencyTest {
 int num = 0;
 volatile boolean ready = false;
 @Actor
 public void actor1(I_Result r) {
 if(ready) {
 r.r1 = num + num;
        } 
else {
 r.r1 = 1;
        }
    }
 @Actor
 public void actor2(I_Result r) {
 num = 2;
 ready = true;
    }
 }

结果为：

*** INTERESTING tests 
  Some interesting behaviors observed. This is for the plain curiosity. 
  0 matching test results. 

• 原理之 volatile
  happens-before
  happens-before 规定了对共享变量的写操作对其它线程的读操作可见，它是可见性与有序性的一套规则总结，抛开以下 happens-before 规则，JMM 并不能保证一个线程对共享变量的写，对于其它线程对该共享变量的读可见

• 线程解锁 m 之前对变量的写，对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见

static int x;
 static Object m = new Object();
 new Thread(()->{
 synchronized(m) {
 x = 10;
    }
 },"t1").start();
 new Thread(()->{
 synchronized(m) {
 System.out.println(x);
    }
 },"t2").start();

• 线程对 volatile 变量的写，对接下来其它线程对该变量的读可见

volatile static int x;
 new Thread(()->{
 x = 10;
 },"t1").start();
 new Thread(()->{
 System.out.println(x);
 },"t2").start();

• 线程 start 前对变量的写，对该线程开始后对该变量的读可见

static int x;
 x = 10;
 new Thread(()->{
 System.out.println(x);
 },"t2").start();

• 线程结束前对变量的写，对其它线程得知它结束后的读可见（比如其它线程调用 t1.isAlive() 或 t1.join()等待它结束）

static int x;
 Thread t1 = new Thread(()->{
 x = 10;
 },"t1");
 t1.start();
 t1.join();
 System.out.println(x);

• 线程 t1 打断 t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见（通过
  t2.interrupted 或 t2.isInterrupted）

static int x;
 public static void main(String[] args) {
 Thread t2 = new Thread(()->{
 while(true) {
 if(Thread.currentThread().isInterrupted()) {
 System.out.println(x);
 break;
            }
        }
    },"t2");
 t2.start();
 new Thread(()->{
 sleep(1);
 x = 10;
 t2.interrupt();
    },"t1").start();
     while(!t2.isInterrupted()) {
 Thread.yield();
    }
 System.out.println(x);
 }
 

• 对变量默认值（0，false，null）的写，对其它线程对该变量的读可见
• 具有传递性，如果 x hb-> y 并且y hb-> z 那么有x hb-> z ，配合 volatile 的防指令重排，有下面的例子

volatile static int x;
 static int y;
 new Thread(()->{    
y = 10;
 x = 20;
 },"t1").start();
 new Thread(()->{
 // x=20 对 t2 可见, 同时 y=10 也对 t2 可见
System.out.println(x); 
},"t2").start();