Java中“并发”详解【voliate、synchronized、原子类操作Atomic..、CAS原理】

1、对volatile 的理解？

volatile 是 Java 虚拟机提供的轻量级的同步机制

• 保证可见性
• 禁止指令排序
• 不保证原子性

JMM（Java 内存模型）

• JMM 本身是一种抽象的概念并不是真实存在，它描述的是一组规定或则规范，通过这组规范定义了程序中的访问方式。

JMM 同步规定：

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

• 由于 JVM 运行程序的实体是线程，而每个线程创建时 JVM 都会为其创建一个工作内存，工作内存是每个线程的私有数据区域，而 Java 内存模型中规定所有变量的储存在主内存，主内存是共享内存区域，所有的线程都可以访问，但线程对变量的操作（读取赋值等）必须都工作内存进行看。

• 首先要将变量从主内存拷贝的自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存，不能直接操作主内存中的变量，工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝，前面说过，工作内存是每个线程的私有数据区域，因此不同的线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信(传值)必须通过主内存来完成。

• 内存模型图
  
  JMM模型的三大特性：

• 可见性

• 原子性

• 有序性

（1）可见性，如果不加 volatile 关键字，则主线程会进入死循环，加 volatile 则主线程能够退出，说明加了 volatile 关键字变量，当有一个线程修改了值，会马上被另一个线程感知到，当前值作废，从新从主内存中获取值。对其他线程可见，这就叫可见性。

/**
 * @Author: cuzz
 * @Date: 2019/4/16 21:29
 * @Description: 可见性代码实例
 */
public class VolatileDemo {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        Data data = new Data();
        new Thread(() -> {
    
    
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " coming...");
            try {
    
    
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
    
    
                e.printStackTrace();
            }
            data.addOne(); // 调用
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " updated...");
        }).start();

        while (data.a == 0) {
    
    
            // looping
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " job is done...");
    }
}

class Data {
    
    
    // int a = 0;
    volatile int a = 0;
    void addOne() {
    
    
        this.a += 1;
    }
}

（2）原子性，发现下面输出不能得到 20000。

public class VolatileDemo {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
       // test01();
       test02();
    }

    // 测试原子性
    private static void test02() {
    
    
        Data data = new Data();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
    
    
            new Thread(() -> {
    
    
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
    
    
                    data.addOne();
                }
            }).start();
        }
        // 默认有 main 线程和 gc 线程
        while (Thread.activeCount() > 2) {
    
    
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(data.a);
    }
}

class Data {
    
    
    volatile int a = 0;
    void addOne() {
    
    
        this.a += 1;
    }
}

（3）有序性

• 计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器个处理器常常会对指令做重排，一般分为以下 3 种
  1、编译器优化的重排
  2、指令并行的重排
  3、内存系统的重排
• 单线程环境里面确保程序最终执行的结果和代码执行的结果一致
• 处理器在进行重排序时必须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用的变量能否一致性是无法确定的，结果无法预测

public class ReSortSeqDemo {
    
    
    int a = 0;
    boolean flag = false;

    public void method01() {
    
    
        a = 1;           // flag = true;
        // ----线程切换----
        flag = true;     // a = 1;
    }

    public void method02() {
    
    
        if (flag) {
    
    
            a = a + 3;
            System.out.println("a = " + a);
        }
    }
}

如果两个线程同时执行，method01 和 method02 如果线程 1 执行 method01 重排序了，然后切换的线程 2 执行 method02 就会出现不一样的结果。

禁止指令排序
volatile 实现禁止指令重排序的优化，从而避免了多线程环境下程序出现乱序的现象

先了解一个概念，内存屏障（Memory Barrier）又称内存栅栏，是一个 CPU 指令，他的作用有两个：

• 保证特定操作的执行顺序
• 保证某些变量的内存可见性（利用该特性实现 volatile 的内存可见性）

由于编译器个处理器都能执行指令重排序优化，如果在指令间插入一条 Memory Barrier 则会告诉编译器和 CPU，不管什么指令都不能个这条 Memory Barrier 指令重排序，也就是说通过插入内存屏障禁止在内存屏障前后执行重排序优化。内存屏障另一个作用是强制刷出各种 CPU 缓存数据，因此任何 CPU 上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

下面是保守策略下，volatile写插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

下面是在保守策略下，volatile读插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

线程安全性保证

• 工作内存与主内存同步延迟现象导致可见性问题
  可以使用 synchronzied 或 volatile 关键字解决，它们可以使用一个线程修改后的变量立即对其他线程可见
• 对于指令重排导致可见性问题和有序性问题
  可以利用 volatile 关键字解决，因为 volatile 的另一个作用就是禁止指令重排序优化
  你在哪些地方用到过 volatile？单例

@NotThreadSafe
public class Singleton01 {
    
    
    private static Singleton01 instance = null;
    private Singleton01() {
    
    
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  construction...");
    }
    public static Singleton01 getInstance() {
    
    
        if (instance == null) {
    
    
            instance = new Singleton01();
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
    
    
            executorService.execute(()-> Singleton01.getInstance());
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

双重锁单例：

public class Singleton02 {
    
    
    private static volatile Singleton02 instance = null;
    private Singleton02() {
    
    
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  construction...");
    }
    public static Singleton02 getInstance() {
    
    
        if (instance == null) {
    
    
            synchronized (Singleton01.class) {
    
    
                if (instance == null) {
    
    
                    instance = new Singleton02();
                }
            }
        }
        return instance;
    }

    public static void main(String[] args) {
    
    
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
    
    
            executorService.execute(()-> Singleton02.getInstance());
        }
        executorService.shutdown();
    }
}

如果没有加 volatile 就不一定是线程安全的，原因是指令重排序的存在，加入 volatile 可以禁止指令重排。原因是在于某一个线程执行到第一次检测，读取到的 instance 不为 null 时，**instance 的引用对象可能还没有完成初始化。**instance = new Singleton() 可以分为以下三步完成。

memory = allocate();  // 1.分配对象空间
instance(memory);     // 2.初始化对象
instance = memory;    // 3.设置instance指向刚分配的内存地址，此时instance != null

步骤 2 和步骤 3 不存在依赖关系，而且无论重排前还是重排后程序的执行结果在单线程中并没有改变，因此这种优化是允许的，发生重排。

memory = allocate();  // 1.分配对象空间
instance = memory;    // 3.设置instance指向刚分配的内存地址，此时instance != null，但对象还没有初始化完成
instance(memory);     // 2.初始化对象