併發程式設計的藝術-JAVA記憶體模型

1.JMM

1.1 什麼是JMM？

1.2 可見性分析與解決

1.2.1 CAS

1.2.2 ABA

1.3 什麼是原子性？

1.4 什麼是連續性？

2.Volatile

2.1 什麼是Volatile？

2.2 不保證原子性原因及分析

2.3 不保證原子性解決辦法

1.1 什麼是JMM？

Java記憶體模型(Java Memory Model簡稱JMM)是一種抽象的概念,並不真實存在,它描述的是一組規則或規範。

先看看JMM的特性：

可見性
原子性
有序性

1.2 可見性分析與解決

大家都知道，資料是存在主記憶體中的，執行緒想要操作主記憶體，需要先讀取主記憶體中的資料，然後操作後再寫入主記憶體，很簡單的流程，那麼為什麼需要可見性呢？

我們來看這樣一種情況，假如執行緒A和執行緒B同時操作主記憶體中的資料N，他們同時讀取了N的初始資料，然後執行緒A操作之後將修改後的資料寫入主記憶體，可是執行緒B不知道N已經被修改！！！這是很嚴重的錯誤，所以我們需要在主記憶體中的共享變數被修改後，通知其他正在操作這個資料的執行緒資料已修改，然後其他執行緒重新讀取主記憶體中的最新資料N，繼續操作，這個就是可見性，也是其存在的必要性。

可行性解決方案：

宣告共享變數為volatile
使用CAS的原子條件更新來實現執行緒之間的同步
配合以volatile的讀/寫和CAS所具有的volatile讀和寫的記憶體語義來實現執行緒之間的通訊

1.2.1 CAS

CAS，compare and swap，比較並交換。他要求執行緒在操作之後，要將資料寫入主記憶體之前，先判斷主記憶體中的資料是不是之前的資料，如果是則寫入主記憶體，如果不是則說明已經被其他執行緒修改過了，然後就會讀取最新資料然後繼續操作，這就是CAS。

CAS不是絕對完美的，他有自己的缺陷，比如每次要將資料寫入主記憶體時，主記憶體中的資料都被其他執行緒修改過了，他就會一直反覆迴旋。另外，CAS只能保證一個共享變數的原子操作。

最主要的是，CAS會出現ABA情況。

1.2.2 ABA

什麼是ABA？簡單理解就是，假如執行緒A要操作主記憶體中的某個資料，然後執行緒A操作時間假如10秒，但是在這10秒內，有另一個執行緒B操作了該資料，然後又將資料還原，等執行緒A將資料寫入主記憶體時，發現數據還是之前的資料，就會將資料寫入記憶體，可這個資料已經被執行緒B修改了兩次！！這就是ABA。

ABA解決辦法，上鎖，或者原子引用。

1.3 什麼是原子性？

原子性：一個操作不可分割的，不可分離的。舉個簡單例子，對於變數x，進行加1，然後取到值，這一個過程儘管簡單，但是卻不具備原子性，因為我們要先讀取x，之後進行計算，然後重新寫入，其實是幾個步驟。如果僅僅對x進行賦值，那麼則可以認為是原子的，JMM是保證其原子性的。

1.4 什麼是有序性？

我有一個朋友，他打字打累了，然後他決定隨便寫寫，他說，程式碼裡寫的程式碼，他不是按順序執行的，他會重新排序，然後執行，原因和細節想了解的請轉去原始碼。有序性就是要求他不重新排序。

2 Volatile

2.1 什麼是Volatile?

簡單來說，Volatile就是Java虛擬機器提供的一個輕量級的同步機制。
為什麼說是輕量級，大家先看看Volatitle的三個特點：

可見性
不保證其原子性
禁止指令重排
可見性我在JMM章節已經講了，禁止指令重排相當於JMM的連續性，在這裡也不多敘述了，我們重點分析下不保證其原子性這個特點。

2.2 不保證原子性原因及分析

大家都知道，JMM是保證其原子性的，即一個操作或者多個操作,要麼全部執行並且執行的過程不會被任何因素打斷,要麼就都不執行。在JMM篇章我們已經說過，為了保證可見性，我們需要用到Volatile去保證其可見性，那麼我們考慮下這個情況：

public class TestMain {

public static void main(String[] args) {

    TestData testData=new TestData();//有個初始值為0的變數和一個加一的方法

    //建立20個執行緒，每個執行緒執行1000次給變數加一的方法
    for(int i=0;i<20;i++){
        new Thread(()->{
            for(int j=0;j<1000;j++){
                testData.addOne();
            }
        },String.valueOf(i)).start();
    }

    //保證20個執行緒跑完
    while(Thread.activeCount()>2){
        Thread.yield();
    }

    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"最後的值為："+testData.number);
}

}
class TestData{
volatile int number=0;
public void addOne(){
number++;
}
}

假如我們建立20個執行緒，每個執行緒執行1000次給常量加一的方法，如果保證其原子性，正常的數字應該是20000，這點大家應該沒有疑惑，那麼最後結果是什麼呢？

無論你執行多少次，他最後的值永遠都不會是20000，那麼為什麼呢？

我們根據JMM的保證可見性的前提下思考一種情況，假如兩個執行緒同時操作主記憶體裡的同一個變數，初始值為0，然後執行緒A拿到變數後，給變數加1，在他想要將值寫入主記憶體的時候，執行緒B拿到了主記憶體中的變數，這個變數是初始值0，然後B執行緒拿到值之後，A執行緒將值寫入了主記憶體，次數主記憶體中的變數值為1，然後B執行緒執行完操作後值也為1，然後將值寫入主記憶體，同時寫了兩個1，主記憶體的值還是1，這就產生了丟失寫值的情況。所以無論我們執行多少次，他最後的值都不可能是20000。

因此，Volatile不保證其原子性。

2.2 不保證原子性解決辦法

解決辦法有兩種，一種是給方法上鎖，另一種就是原子引用(atomicreference)。CAS時原子引用會出現ABA問題，簡單理解就是假如A執行緒操作10秒，在這十秒內有另一個執行緒操作了資料，但又把資料還原，但是A執行緒發現不了，所以還是直接用時間戳原子引用(atomicstampedreference)吧。