JUC-Volatile

1.1 volatile的理解

volitile 是 Java 虚拟机提供的轻量级的同步机制，三大特性：

保证可见性。
不保证原子性。
禁止指令重排。

1.2 JMM基本概念

JMM 本身是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述的是一组规则或者规范。

JMM 同步的规定：

线程解锁前，必须把共享变量的值刷新回主内存。
线程加锁前，必须读取主内存的最新值到自己的工作内存。
加锁解锁是同一把锁。

JMM即为JAVA 内存模型（java memory model）。因为在不同的硬件生产商和不同的操作系统下，内存的访问逻辑有一定的差异，结果就是当你的代码在某个系统环境下运行良好，并且线程安全，但是换了个系统就出现各种问题。Java内存模型，就是为了屏蔽系统和硬件的差异，让一套代码在不同平台下能到达相同的访问结果。

1.2.1 JMM内存模型

JMM规定了内存主要划分为主内存和工作内存两种。此处的主内存和工作内存跟JVM内存划分（堆、栈、方法区）是在不同的层次上进行的，如果非要对应起来，主内存对应的是Java堆中的对象实例部分，工作内存对应的是栈中的部分区域，从更底层的来说，主内存对应的是硬件的物理内存，工作内存对应的是寄存器和高速缓存。

代码示例

package cn.guardwhy.volatile01;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/*
* JMM内存模型
*/
public class JMMDemo01 {
    
    
    private static int num = 0;
    public static void main(String[] args) {
    
     // 线程1(main线程)
        new Thread(()->{
    
     // 线程2
            while (num == 0){
    
    

            }
        }).start();

        try {
    
    
            // 休眠1s
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }

        num = 1;
        System.out.println("num的值:" + num);
    }
}

线程1感知不到线程2操作了值的变化！如何能够保证线程间可以同步感知这个问题呢？只需要使用Volatile关键字即可！volatile 保证线程间变量的可见性，简单地说就是当线程A对变量X进行了修改后，在线程A后面执行的其他线程能看到变量X的变动，更详细地说是要符合以下两个规则：

线程对变量进行修改之后，要立刻回写到主内存。
线程对变量读取的时候，要从主内存中读，而不是缓存
各线程的工作内存间彼此独立，互不可见，在线程启动的时候，虚拟机为每个内存分配一块工作内存，不仅包含了线程内部定义的局部变量，也包含了线程所需要使用的共享变量（非线程内构造的对象）的副本，即，为了提高执行效率。

1.2.2 内存交互操作

内存交互操作有8种，虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的，不可在分的。

lock （锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态。
unlock （解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
read （读取）：作用于主内存变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。
load （载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主存中变量放入工作内存中。
use （使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令。
assign （赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中。
store （存储）：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write使用。
write （写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中

JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则

不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load，使用了store必须write。
不允许线程丢弃他最近的assign操作，即工作变量的数据改变了之后，必须告知主存。
不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存。
一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施use、store操作之前，必须经过assign和load操作。
一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后，必须执行相同次数的unlock才能解锁。
如果对一个变量进行lock操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，必须重新load或assign操作初始化变量的值。
如果一个变量没有被lock，就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量。
对一个变量进行unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存。

1.2.3 结论

JMM对这八种操作规则和对volatile的一些特殊规则就能确定哪里操作是线程安全，哪些操作是线程不安全的了。但是这些规则实在复杂，很难在实践中直接分析，更多的时候，使用java的happen-before规则来进行分析。

happen-before规则

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happens-before就是先行发生，在Java内存模型中，happens-before 应该翻译成：前一个操作的结果可以被后续的操作获取。通俗点说就是前面一个操作把变量赋值为3，那后面一个操作肯定知道变量已经变成了3。所以为了解决多线程的可见性问题，就搞出了happens-before原则，让线程之间遵守这些原则。编译器还会优化java语句，所以等于是给了编译器优化的约束。

1.3 保证可见性

代码示例

package cn.guardwhy.volatile01;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/*
 保证可见性
*/
public class VolatileDemo01 {
    
    
    // 不加 volatile程序会出现死循环,加上volatile可以保证可见性。
    private volatile static int num = 0;

    public static void main(String[] args) {
    
    
        new Thread(()->{
    
     // 线程2对主内存的变化不知道
            while (num == 0){
    
    

            }
        }).start();

        try {
    
    
            // 休眠1s
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }

        num = 1;
        System.out.println("num的值:" + num);
    }
}

1.4 不保证原子性

原子性理解：不可分割，完整性，也就是某个线程正在做某个具体的业务的时候，中间不可以被加塞或者被分割，要整体完整，要么同时成功，要么同时失败。

代码示例

package cn.guardwhy.volatile01;
/*
验证volatile 不保证原子性
*/
public class VolatileDemo02 {
    
    

    private volatile static int num = 0;

    public static void add(){
    
    
        num++;
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        // 1.理论上num的值应该为2w
        for (int i = 1; i <= 20 ; i++) {
    
    
            new Thread(()->{
    
    
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
    
    
                    // 2.调用方法
                    add();
                }
            }).start();
        }

        while (Thread.activeCount()>2){
    
    
            // 礼让
            Thread.yield();
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + num);
    }
}

执行结果

命令行查看底层字节码代码实现：javap -c VolatileDemo02.class

num++ 在多线程下是非线程安全的

不加Lock锁和synchronized，如何保证原子性

使用原子类，解决原子性的问题。

代码示例

package cn.guardwhy.volatile01;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

// volatile 不保证原子性
public class VolatileDemo02 {
    
    
    // 原子类的Integer
    private volatile static AtomicInteger num = new AtomicInteger();

    public static void add(){
    
    
        num.getAndIncrement(); // AtomicInteger + 1 方法， CAS
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        // 1.理论上num的值应该为2w
        for (int i = 1; i <= 20 ; i++) {
    
    
            new Thread(()->{
    
    
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
    
    
                    // 2.调用方法
                    add();
                }
            }).start();
        }

        while (Thread.activeCount()>2){
    
    
            // 礼让
            Thread.yield();
        }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + num);
    }
}

执行结果

源码分析:
这些原子类的底层都直接和操作系统挂钩！！！允许在内存中修改值！！unsafe类是个很特殊的存在。

1.5 指令重排

计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器的常常会对指令做重排，一般分以下3种

单线程环境里面确保程序最终执行结果和代码顺序执行的结果一致。
处理器在进行重排序时必须要考虑指令之间的数据依赖性。
多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排的存在，两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的。

int x = 1; // 1
int y = 2; // 2
x = x + 5; // 3
y = X * x; // 4

期待结果是: 1234 但是可能执行的时候会变成 2134 1324, 但是不可能是 4123!!!

可能造成影响的结果: a b x y 这四个值默认都是 0

线程A	线程B
x = a	y = b
b = 1	a = 2

正常的结果：x = 0; y = 0; 但是可能由于指令重排

线程A	线程B
b = 1	a = 2
x = a	y = b

指令重排导致的诡异结果: x = 2; y = 1;

volitile可以避免指令重排:

内存屏障， CPU指令。基本作用：

1、保证特定的操作。

2、可以保证某些变量的内存可见性（利用这些特性volitile实现了可见性）。

Volitile 是可以保持可见性，不能保证原子性，但是由于内存屏障，可以保证避免指令重排的现象产生！！！

1.1 volatile的理解

1.2 JMM基本概念

1.2.1 JMM内存模型

1.2.2 内存交互操作

1.2.3 结论

1.3 保证可见性

1.4 不保证原子性

1.5 指令重排

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