一.內(nèi)存模型的相關(guān)概念
大家都知道，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的，而執(zhí)行指令過程中，勢(shì)必涉及到數(shù)據(jù)的讀取和寫入。由于程序運(yùn)行過程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)是存放在主存（物理內(nèi)存）當(dāng)中的，這時(shí)就存在一個(gè)問題，由于CPU執(zhí)行速度很快，而從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)和向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)的過程跟CPU執(zhí)行指令的速度比起來要慢的多，因此如果任何時(shí)候?qū)?shù)據(jù)的操作都要通過和內(nèi)存的交互來進(jìn)行，會(huì)大大降低指令執(zhí)行的速度。因此在CPU里面就有了高速緩存。也就是，當(dāng)程序在運(yùn)行過程中，會(huì)將運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到CPU的高速緩存當(dāng)中，那么CPU進(jìn)行計(jì)算時(shí)就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束之后，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當(dāng)中。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，比如下面的這段代碼：
i = i + 1;
當(dāng)線程執(zhí)行這個(gè)語句時(shí)，會(huì)先從主存當(dāng)中讀取i的值，然后復(fù)制一份到高速緩存當(dāng)中，然后CPU執(zhí)行指令對(duì)i進(jìn)行加1操作，然后將數(shù)據(jù)寫入高速緩存，后將高速緩存中i新的值刷新到主存當(dāng)中。這個(gè)代碼在單線程中運(yùn)行是沒有任何問題的，但是在多線程中運(yùn)行就會(huì)有問題了。在多核CPU中，每條線程可能運(yùn)行于不同的CPU中，因此每個(gè)線程運(yùn)行時(shí)有自己的高速緩存（對(duì)單核CPU來說，其實(shí)也會(huì)出現(xiàn)這種問題，只不過是以線程調(diào)度的形式來分別執(zhí)行的），本文我們以多核CPU為例。可以參考java在CPU中的一些個(gè)破事-易極客
比如同時(shí)有2個(gè)線程執(zhí)行這段代碼，假如初始時(shí)i的值為0，那么我們希望兩個(gè)線程執(zhí)行完之后i的值變?yōu)?。但是事實(shí)會(huì)是這樣嗎？可能存在下面一種情況：初始時(shí)，兩個(gè)線程分別讀取i的值存入各自所在的CPU的高速緩存當(dāng)中，然后線程1進(jìn)行加1操作，然后把i的新值1寫入到內(nèi)存。此時(shí)線程2的高速緩存當(dāng)中i的值還是0，進(jìn)行加1操作之后，i的值為1，然后線程2把i的值寫入內(nèi)存。終結(jié)果i的值是1，而不是2。這就是的緩存一致性問題。通常稱這種被多個(gè)線程訪問的變量為共享變量。也就是說，如果一個(gè)變量在多個(gè)CPU中都存在緩存（一般在多線程編程時(shí)才會(huì)出現(xiàn)），那么就可能存在緩存不一致的問題。
為了解決緩存不一致性問題，通常來說有以下2種解決方法：
1）通過在總線加LOCK#鎖的方式
2）通過緩存一致性協(xié)議
這2種方式都是硬件層面上提供的方式。在早期的CPU當(dāng)中，是通過在總線上加LOCK#鎖的形式來解決緩存不一致的問題。因?yàn)镃PU和其他部件進(jìn)行通信都是通過總線來進(jìn)行的，如果對(duì)總線加LOCK#鎖的話，也就是說阻塞了其他CPU對(duì)其他部件訪問（如內(nèi)存），從而使得只能有一個(gè)CPU能使用這個(gè)變量的內(nèi)存。比如上面例子中 如果一個(gè)線程在執(zhí)行 i = i +1，如果在執(zhí)行這段代碼的過程中，在總線上發(fā)出了LCOK#鎖的信號(hào)，那么只有等待這段代碼完全執(zhí)行完畢之后，其他CPU才能從變量i所在的內(nèi)存讀取變量，然后進(jìn)行相應(yīng)的操作。這樣就解決了緩存不一致的問題。可以參考Java并發(fā)編程：synchronized-易極客|Java并發(fā)編程：Lock-易極客
但是上面的方式會(huì)有一個(gè)問題，由于在鎖住總線期間，其他CPU無法訪問內(nèi)存，導(dǎo)致效率低下。所以就出現(xiàn)了緩存一致性協(xié)議。出名的就是Intel 的MESI協(xié)議，MESI協(xié)議保證了每個(gè)緩存中使用的共享變量的副本是一致的。它核心的思想是：當(dāng)CPU寫數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會(huì)發(fā)出信號(hào)通知其他CPU將該變量的緩存行置為無效狀態(tài)，因此當(dāng)其他CPU需要讀取這個(gè)變量時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己緩存中緩存該變量的緩存行是無效的，那么它就會(huì)從內(nèi)存重新讀取。
在并發(fā)編程中，我們通常會(huì)遇到以下三個(gè)問題：原子性問題，可見性問題，有序性問題。我們先看具體看一下這三個(gè)概念：
1.原子性
原子性：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。一個(gè)很經(jīng)典的例子就是銀行賬戶轉(zhuǎn)賬問題：比如從賬戶A向賬戶B轉(zhuǎn)1000元，那么必然包括2個(gè)操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。試想一下，如果這2個(gè)操作不具備原子性，會(huì)造成什么樣的后果。假如從賬戶A減去1000元之后，操作突然中止。然后又從B取出了500元，取出500元之后，再執(zhí)行 往賬戶B加上1000元 的操作。這樣就會(huì)導(dǎo)致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒有收到這個(gè)轉(zhuǎn)過來的1000元。所以這2個(gè)操作必須要具備原子性才能保證不出現(xiàn)一些意外的問題。同樣地反映到并發(fā)編程中會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)果呢？
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，大家想一下假如為一個(gè)32位的變量賦值過程不具備原子性的話，會(huì)發(fā)生什么后果？
i = 9;
假若一個(gè)線程執(zhí)行到這個(gè)語句時(shí)，我暫且假設(shè)為一個(gè)32位的變量賦值包括兩個(gè)過程：為低16位賦值，為高16位賦值。那么就可能發(fā)生一種情況：當(dāng)將低16位數(shù)值寫入之后，突然被中斷，而此時(shí)又有一個(gè)線程去讀取i的值，那么讀取到的就是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。
2.可見性
可見性是指當(dāng)多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，看下面這段代碼：
//線程1執(zhí)行的代碼 int i = 0; i = 10; //線程2執(zhí)行的代碼 j = i;
假若執(zhí)行線程1的是CPU1，執(zhí)行線程2的是CPU2。由上面的分析可知，當(dāng)線程1執(zhí)行 i =10這句時(shí)，會(huì)先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中，然后賦值為10，那么在CPU1的高速緩存當(dāng)中i的值變?yōu)?0了，卻沒有立即寫入到主存當(dāng)中。此時(shí)線程2執(zhí)行 j = i，它會(huì)先去主存讀取i的值并加載到CPU2的緩存當(dāng)中，注意此時(shí)內(nèi)存當(dāng)中i的值還是0，那么就會(huì)使得j的值為0，而不是10.這就是可見性問題，線程1對(duì)變量i修改了之后，線程2沒有立即看到線程1修改的值。
3.有序性
有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，看下面這段代碼：
int i = 0; boolean flag = false; i = 1; //語句1 flag = true; //語句2
上面代碼定義了一個(gè)int型變量，定義了一個(gè)boolean類型變量，然后分別對(duì)兩個(gè)變量進(jìn)行賦值操作。從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那么JVM在真正執(zhí)行這段代碼的時(shí)候會(huì)保證語句1一定會(huì)在語句2前面執(zhí)行嗎？不一定，為什么呢？這里可能會(huì)發(fā)生指令重排序（Instruction Reorder）。下面解釋一下什么是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程序運(yùn)行效率，可能會(huì)對(duì)輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化，它不保證程序中各個(gè)語句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會(huì)保證程序終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。比如上面的代碼中，語句1和語句2誰先執(zhí)行對(duì)終的程序結(jié)果并沒有影響，那么就有可能在執(zhí)行過程中，語句2先執(zhí)行而語句1后執(zhí)行。但是要注意，雖然處理器會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序，但是它會(huì)保證程序終結(jié)果會(huì)和代碼順序執(zhí)行結(jié)果相同，那么它靠什么保證的呢？再看下面一個(gè)例子：
int a = 10; //語句1 int r = 2; //語句2 a = a + 3; //語句3 r = a*a; //語句4
這段代碼有4個(gè)語句，那么可能的一個(gè)執(zhí)行順序是：
那么可不可能是這個(gè)執(zhí)行順序呢： 語句2 語句1 語句4 語句3，不可能，因?yàn)樘幚砥髟谶M(jìn)行重排序時(shí)是會(huì)考慮指令之間的數(shù)據(jù)依賴性，如果一個(gè)指令I(lǐng)nstruction 2必須用到Instruction 1的結(jié)果，那么處理器會(huì)保證Instruction 1會(huì)在Instruction 2之前執(zhí)行。雖然重排序不會(huì)影響單個(gè)線程內(nèi)程序執(zhí)行的結(jié)果，但是多線程呢？下面看一個(gè)例子：
//線程1:
context = loadContext(); //語句1
inited = true; //語句2
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
上面代碼中，由于語句1和語句2沒有數(shù)據(jù)依賴性，因此可能會(huì)被重排序。假如發(fā)生了重排序，在線程1執(zhí)行過程中先執(zhí)行語句2，而此是線程2會(huì)以為初始化工作已經(jīng)完成，那么就會(huì)跳出while循環(huán)，去執(zhí)行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時(shí)context并沒有被初始化，就會(huì)導(dǎo)致程序出錯(cuò)。從上面可以看出，指令重排序不會(huì)影響單個(gè)線程的執(zhí)行，但是會(huì)影響到線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。也就是說，要想并發(fā)程序正確地執(zhí)行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個(gè)沒有被保證，就有可能會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行不正確。
在前面談到了一些關(guān)于Java內(nèi)存模型-易極客以及并發(fā)編程中可能會(huì)出現(xiàn)的一些問題。下面我們來看一下Java內(nèi)存模型，研究一下Java內(nèi)存模型為我們提供了哪些保證以及在java中提供了哪些方法和機(jī)制來讓我們?cè)谶M(jìn)行多線程編程時(shí)能夠保證程序執(zhí)行的正確性。
在Java虛擬機(jī)規(guī)范中試圖定義一種Java內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM）來屏蔽各個(gè)硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果。那么Java內(nèi)存模型規(guī)定了哪些東西呢，它定義了程序中變量的訪問規(guī)則，往大一點(diǎn)說是定義了程序執(zhí)行的次序。注意，為了獲得較好的執(zhí)行性能，Java內(nèi)存模型并沒有限制執(zhí)行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來提升指令執(zhí)行速度，也沒有限制編譯器對(duì)指令進(jìn)行重排序。也就是說，在java內(nèi)存模型中，也會(huì)存在緩存一致性問題和指令重排序的問題。
Java內(nèi)存模型規(guī)定所有的變量都是存在主存當(dāng)中（類似于前面說的物理內(nèi)存），每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存（類似于前面的高速緩存）。線程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接對(duì)主存進(jìn)行操作。并且每個(gè)線程不能訪問其他線程的工作內(nèi)存。
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：在java中，執(zhí)行下面這個(gè)語句：
i = 10;
執(zhí)行線程必須先在自己的工作線程中對(duì)變量i所在的緩存行進(jìn)行賦值操作，然后再寫入主存當(dāng)中。而不是直接將數(shù)值10寫入主存當(dāng)中。那么Java語言 本身對(duì) 原子性、可見性以及有序性提供了哪些保證呢？
1.原子性
在Java中，對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要么執(zhí)行，要么不執(zhí)行。上面一句話雖然看起來簡(jiǎn)單，但是理解起來并不是那么容易。看下面一個(gè)例子，請(qǐng)分析以下哪些操作是原子性操作：
x = 10; //語句1 y = x; //語句2 x++; //語句3 x = x + 1; //語句4
咋一看，有些朋友可能會(huì)說上面的4個(gè)語句中的操作都是原子性操作。其實(shí)只有語句1是原子性操作，其他三個(gè)語句都不是原子性操作。語句1是直接將數(shù)值10賦值給x，也就是說線程執(zhí)行這個(gè)語句的會(huì)直接將數(shù)值10寫入到工作內(nèi)存中。語句2實(shí)際上包含2個(gè)操作，它先要去讀取x的值，再將x的值寫入工作內(nèi)存，雖然讀取x的值以及 將x的值寫入工作內(nèi)存 這2個(gè)操作都是原子性操作，但是合起來就不是原子性操作了。同樣的，x++和 x = x+1包括3個(gè)操作：讀取x的值，進(jìn)行加1操作，寫入新的值。所以上面4個(gè)語句只有語句1的操作具備原子性。也就是說，只有簡(jiǎn)單的讀取、賦值（而且必須是將數(shù)字賦值給某個(gè)變量，變量之間的相互賦值不是原子操作）才是原子操作。不過這里有一點(diǎn)需要注意：在32位平臺(tái)下，對(duì)64位數(shù)據(jù)的讀取和賦值是需要通過兩個(gè)操作來完成的，不能保證其原子性。但是好像在新的JDK中，JVM已經(jīng)保證對(duì)64位數(shù)據(jù)的讀取和賦值也是原子性操作了。
從上面可以看出，Java內(nèi)存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實(shí)現(xiàn)更大范圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實(shí)現(xiàn)。由于synchronized和Lock能夠保證任一時(shí)刻只有一個(gè)線程執(zhí)行該代碼塊，那么自然就不存在原子性問題了，從而保證了原子性。
2.可見性
對(duì)于可見性，Java提供了volatile關(guān)鍵字來保證可見性。當(dāng)一個(gè)共享變量被volatile修飾時(shí)，它會(huì)保證修改的值會(huì)立即被更新到主存，當(dāng)有其他線程需要讀取時(shí)，它會(huì)去內(nèi)存中讀取新值。而普通的共享變量不能保證可見性，因?yàn)槠胀ü蚕碜兞勘恍薷闹螅裁磿r(shí)候被寫入主存是不確定的，當(dāng)其他線程去讀取時(shí)，此時(shí)內(nèi)存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼，并且在釋放鎖之前會(huì)將對(duì)變量的修改刷新到主存當(dāng)中。因此可以保證可見性。
3.有序性
在Java內(nèi)存模型中，允許編譯器和處理器對(duì)指令進(jìn)行重排序，但是重排序過程不會(huì)影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會(huì)影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。在Java里面，可以通過volatile關(guān)鍵字來保證一定的“有序性”（具體原理在下一節(jié)講述）。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個(gè)時(shí)刻是有一個(gè)線程執(zhí)行同步代碼，相當(dāng)于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼，自然就保證了有序性。另外，Java內(nèi)存模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性，這個(gè)通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個(gè)操作的執(zhí)行次序無法從happens-before原則推導(dǎo)出來，那么它們就不能保證它們的有序性，虛擬機(jī)可以隨意地對(duì)它們進(jìn)行重排序。
下面就來具體介紹下happens-before原則（先行發(fā)生原則）：
這8條原則摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》。這8條規(guī)則中，前4條規(guī)則是比較重要的，后4條規(guī)則都是顯而易見的。下面我們來解釋一下前4條規(guī)則：
對(duì)于程序次序規(guī)則來說，我的理解就是一段程序代碼的執(zhí)行在單個(gè)線程中看起來是有序的。注意，雖然這條規(guī)則中提到“書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作”，這個(gè)應(yīng)該是程序看起來執(zhí)行的順序是按照代碼順序執(zhí)行的，因?yàn)樘摂M機(jī)可能會(huì)對(duì)程序代碼進(jìn)行指令重排序。雖然進(jìn)行重排序，但是終執(zhí)行的結(jié)果是與程序順序執(zhí)行的結(jié)果一致的，它只會(huì)對(duì)不存在數(shù)據(jù)依賴性的指令進(jìn)行重排序。因此，在單個(gè)線程中，程序執(zhí)行看起來是有序執(zhí)行的，這一點(diǎn)要注意理解。事實(shí)上，這個(gè)規(guī)則是用來保證程序在單線程中執(zhí)行結(jié)果的正確性，但無法保證程序在多線程中執(zhí)行的正確性。第二條規(guī)則也比較容易理解，也就是說無論在單線程中還是多線程中，同一個(gè)鎖如果出于被鎖定的狀態(tài)，那么必須先對(duì)鎖進(jìn)行了釋放操作，后面才能繼續(xù)進(jìn)行l(wèi)ock操作。第三條規(guī)則是一條比較重要的規(guī)則，也是后文將要重點(diǎn)講述的內(nèi)容。直觀地解釋就是，如果一個(gè)線程先去寫一個(gè)變量，然后一個(gè)線程去進(jìn)行讀取，那么寫入操作肯定會(huì)先行發(fā)生于讀操作。第四條規(guī)則實(shí)際上就是體現(xiàn)happens-before原則具備傳遞性。
在前面講述了很多東西，其實(shí)都是為講述volatile關(guān)鍵字作鋪墊，那么接下來我們就進(jìn)入主題。
1.volatile關(guān)鍵字的兩層語義
一旦一個(gè)共享變量（類的成員變量、類的靜態(tài)成員變量）被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語義：
1）保證了不同線程對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí)的可見性，即一個(gè)線程修改了某個(gè)變量的值，這新值對(duì)其他線程來說是立即可見的。
2）禁止進(jìn)行指令重排序。
先看一段代碼，假如線程1先執(zhí)行，線程2后執(zhí)行：
//線程1
boolean stop = false;
while(!stop){
doSomething();
}
//線程2
stop = true;
這段代碼是很典型的一段代碼，很多人在中斷線程時(shí)可能都會(huì)采用這種標(biāo)記辦法。但是事實(shí)上，這段代碼會(huì)完全運(yùn)行正確么？即一定會(huì)將線程中斷么？不一定，也許在大多數(shù)時(shí)候，這個(gè)代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會(huì)導(dǎo)致無法中斷線程（雖然這個(gè)可能性很小，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會(huì)造成死循環(huán)了）。下面解釋一下這段代碼為何有可能導(dǎo)致無法中斷線程。在前面已經(jīng)解釋過，每個(gè)線程在運(yùn)行過程中都有自己的工作內(nèi)存，那么線程1在運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內(nèi)存當(dāng)中。那么當(dāng)線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當(dāng)中，線程2轉(zhuǎn)去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對(duì)stop變量的更改，因此還會(huì)一直循環(huán)下去。
但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：
：使用volatile關(guān)鍵字會(huì)強(qiáng)制將修改的值立即寫入主存；
第二：使用volatile關(guān)鍵字的話，當(dāng)線程2進(jìn)行修改時(shí)，會(huì)導(dǎo)致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對(duì)應(yīng)的緩存行無效）；
第三：由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時(shí)會(huì)去主存讀取。
那么在線程2修改stop值時(shí)（當(dāng)然這里包括2個(gè)操作，修改線程2工作內(nèi)存中的值，然后將修改后的值寫入內(nèi)存），會(huì)使得線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，然后線程1讀取時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無效，它會(huì)等待緩存行對(duì)應(yīng)的主存地址被更新之后，然后去對(duì)應(yīng)的主存讀取新的值。那么線程1讀取到的就是新的正確的值。
2.volatile保證原子性嗎？
從上面知道volatile關(guān)鍵字保證了操作的可見性，但是volatile能保證對(duì)變量的操作是原子性嗎？
下面看一個(gè)例子：
public class Test {
public volatile int inc = 0;
public void increase() {
inc++;
}
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
}
大家想一下這段程序的輸出結(jié)果是多少？也許有些朋友認(rèn)為是10000。但是事實(shí)上運(yùn)行它會(huì)發(fā)現(xiàn)每次運(yùn)行結(jié)果都不一致，都是一個(gè)小于10000的數(shù)字。可能有的朋友就會(huì)有疑問，不對(duì)啊，上面是對(duì)變量inc進(jìn)行自增操作，由于volatile保證了可見性，那么在每個(gè)線程中對(duì)inc自增完之后，在其他線程中都能看到修改后的值啊，所以有10個(gè)線程分別進(jìn)行了1000次操作，那么終inc的值應(yīng)該是1000*10=10000。這里面就有一個(gè)誤區(qū)了，volatile關(guān)鍵字能保證可見性沒有錯(cuò)，但是上面的程序錯(cuò)在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是新的值，但是volatile沒辦法保證對(duì)變量的操作的原子性。在前面已經(jīng)提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進(jìn)行加1操作、寫入工作內(nèi)存。那么就是說自增操作的三個(gè)子操作可能會(huì)分割開執(zhí)行，就有可能導(dǎo)致下面這種情況出現(xiàn)：假如某個(gè)時(shí)刻變量inc的值為10，線程1對(duì)變量進(jìn)行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了；然后線程2對(duì)變量進(jìn)行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對(duì)變量inc進(jìn)行讀取操作，而沒有對(duì)變量進(jìn)行修改操作，所以不會(huì)導(dǎo)致線程2的工作內(nèi)存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會(huì)直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時(shí)10，然后進(jìn)行加1操作，并把11寫入工作內(nèi)存，后寫入主存。然后線程1接著進(jìn)行加1操作，由于已經(jīng)讀取了inc的值，注意此時(shí)在線程1的工作內(nèi)存中inc的值仍然為10，所以線程1對(duì)inc進(jìn)行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內(nèi)存，后寫入主存。那么兩個(gè)線程分別進(jìn)行了一次自增操作后，inc只增加了1。
解釋到這里，可能有朋友會(huì)有疑問，不對(duì)啊，前面不是保證一個(gè)變量在修改volatile變量時(shí)，會(huì)讓緩存行無效嗎？然后其他線程去讀就會(huì)讀到新的值，對(duì)，這個(gè)沒錯(cuò)。這個(gè)就是上面的happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則，但是要注意，線程1對(duì)變量進(jìn)行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒有對(duì)inc值進(jìn)行修改。然后雖然volatile能保證線程2對(duì)變量inc的值讀取是從內(nèi)存中讀取的，但是線程1沒有進(jìn)行修改，所以線程2根本就不會(huì)看到修改的值。根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對(duì)變量的任何操作都是原子性的。
把上面的代碼改成以下任何一種都可以達(dá)到效果：
采用synchronized：
public class Test { public int inc = 0; public synchronized void increase() { inc++; } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); } }
采用Lock：
public class Test { public int inc = 0; Lock lock = new ReentrantLock(); public void increase() { lock.lock(); try { inc++; } finally{ lock.unlock(); } } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); } }
采用AtomicInteger：
public class Test { public AtomicInteger inc = new AtomicInteger(); public void increase() { inc.getAndIncrement(); } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); } }
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個(gè)數(shù)），減法操作（減一個(gè)數(shù)）進(jìn)行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實(shí)現(xiàn)原子性操作的（Compare And Swap），CAS實(shí)際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的，而處理器執(zhí)行CMPXCHG指令是一個(gè)原子性操作。
3.volatile能保證有序性嗎？
在前面提到volatile關(guān)鍵字能禁止指令重排序，所以volatile能在一定程度上保證有序性。volatile關(guān)鍵字禁止指令重排序有兩層意思：
1）當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時(shí)，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進(jìn)行，且結(jié)果已經(jīng)對(duì)后面的操作可見；在其后面的操作肯定還沒有進(jìn)行；
2）在進(jìn)行指令優(yōu)化時(shí)，不能將在對(duì)volatile變量訪問的語句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執(zhí)行。
可能上面說的比較繞，舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：
//x、y為非volatile變量 //flag為volatile變量 x = 2; //語句1 y = 0; //語句2 flag = true; //語句3 x = 4; //語句4 y = -1; //語句5
由于flag變量為volatile變量，那么在進(jìn)行指令重排序的過程的時(shí)候，不會(huì)將語句3放到語句1、語句2前面，也不會(huì)講語句3放到語句4、語句5后面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。并且volatile關(guān)鍵字能保證，執(zhí)行到語句3時(shí)，語句1和語句2必定是執(zhí)行完畢了的，且語句1和語句2的執(zhí)行結(jié)果對(duì)語句3、語句4、語句5是可見的。那么我們回到前面舉的一個(gè)例子：
//線程1:
context = loadContext(); //語句1
inited = true; //語句2
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
前面舉這個(gè)例子的時(shí)候，提到有可能語句2會(huì)在語句1之前執(zhí)行，那么久可能導(dǎo)致context還沒被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進(jìn)行操作，導(dǎo)致程序出錯(cuò)。這里如果用volatile關(guān)鍵字對(duì)inited變量進(jìn)行修飾，就不會(huì)出現(xiàn)這種問題了，因?yàn)楫?dāng)執(zhí)行到語句2時(shí)，必定能保證context已經(jīng)初始化完畢。
4.volatile的原理和實(shí)現(xiàn)機(jī)制
前面講述了源于volatile關(guān)鍵字的一些使用，下面我們來探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》：“觀察加入volatile關(guān)鍵字和沒有加入volatile關(guān)鍵字時(shí)所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)，加入volatile關(guān)鍵字時(shí)，會(huì)多出一個(gè)lock前綴指令”lock前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障（也成內(nèi)存柵欄），內(nèi)存屏障會(huì)提供3個(gè)功能：
1）它確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成；
2）它會(huì)強(qiáng)制將對(duì)緩存的修改操作立即寫入主存；
3）如果是寫操作，它會(huì)導(dǎo)致其他CPU中對(duì)應(yīng)的緩存行無效。
synchronized關(guān)鍵字是防止多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行一段代碼，那么就會(huì)很影響程序執(zhí)行效率，而volatile關(guān)鍵字在某些情況下性能要優(yōu)于synchronized，但是要注意volatile關(guān)鍵字是無法替代synchronized關(guān)鍵字的，因?yàn)関olatile關(guān)鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個(gè)條件：
1）對(duì)變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值
2）該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
實(shí)際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨(dú)立于任何程序的狀態(tài)，包括變量的當(dāng)前狀態(tài)。
事實(shí)上，我的理解就是上面的2個(gè)條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關(guān)鍵字的程序在并發(fā)時(shí)能夠正確執(zhí)行。
下面列舉幾個(gè)Java中使用volatile的幾個(gè)場(chǎng)景。
1.狀態(tài)標(biāo)記量
volatile boolean flag = false;
while(!flag){
doSomething();
}
public void setFlag() {
flag = true;
}
volatile boolean inited = false;
//線程1:
context = loadContext();
inited = true;
//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
2.double check
class Singleton{
private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if(instance==null) {
synchronized (Singleton.class) {
if(instance==null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
本站文章版權(quán)歸原作者及原出處所有 。內(nèi)容為作者個(gè)人觀點(diǎn)， 并不代表本站贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，本站只提供參考并不構(gòu)成任何投資及應(yīng)用建議。本站是一個(gè)個(gè)人學(xué)習(xí)交流的平臺(tái)，網(wǎng)站上部分文章為轉(zhuǎn)載，并不用于任何商業(yè)目的，我們已經(jīng)盡可能的對(duì)作者和來源進(jìn)行了通告，但是能力有限或疏忽，造成漏登，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我們，我們將根據(jù)著作權(quán)人的要求，立即更正或者刪除有關(guān)內(nèi)容。本站擁有對(duì)此聲明的最終解釋權(quán)。
