Java內存模型

想要理解volatile為什麽能確保可見性，就要先理解Java中的內存模型是什麽樣的。

Java內存模型規定了所有的變量都存儲在主內存中。每條線程中還有自己的工作內存，線程的工作內存中保存了被該線程所使用到的變量（這些變量是從主內存中拷貝而來）。線程對變量的所有操作（讀取，賦值）都必須在工作內存中進行。不同線程之間也無法直接訪問對方工作內存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要通過主內存來完成。

基於此種內存模型，便產生了多線程編程中的數據“臟讀”等問題。

舉個簡單的例子：在java中，執行下面這個語句：

i  = 10++;

執行線程必須先在自己的工作線程中對變量i所在的緩存行進行賦值操作，然後再寫入主存當中。而不是直接將數值10寫入主存當中。

比如同時有2個線程執行這段代碼，假如初始時i的值為10，那麽我們希望兩個線程執行完之後i的值變為12。但是事實會是這樣嗎？

可能存在下面一種情況：初始時，兩個線程分別讀取i的值存入各自所在的工作內存當中，然後線程1進行加1操作，然後把i的最新值11寫入到內存。此時線程2的工作內存當中i的值還是10，進行加1操作之後，i的值為11，然後線程2把i的值寫入內存。

最終結果i的值是11，而不是12。這就是著名的緩存一致性問題。通常稱這種被多個線程訪問的變量為共享變量。

那麽如何確保共享變量在多線程訪問時能夠正確輸出結果呢？

在解決這個問題之前，我們要先了解並發編程的三大概念：原子性，有序性，可見性。

二、原子性

1.定義

原子性：即一個操作或者多個操作 要麽全部執行並且執行的過程不會被任何因素打斷，要麽就都不執行。

2.實例

一個很經典的例子就是銀行賬戶轉賬問題：

比如從賬戶A向賬戶B轉1000元，那麽必然包括2個操作：從賬戶A減去1000元，往賬戶B加上1000元。

試想一下，如果這2個操作不具備原子性，會造成什麽樣的後果。假如從賬戶A減去1000元之後，操作突然中止。這樣就會導致賬戶A雖然減去了1000元，但是賬戶B沒有收到這個轉過來的1000元。

所以這2個操作必須要具備原子性才能保證不出現一些意外的問題。

同樣地反映到並發編程中會出現什麽結果呢？

舉個最簡單的例子，大家想一下假如為一個32位的變量賦值過程不具備原子性的話，會發生什麽後果？

i = 9;

假若一個線程執行到這個語句時，我暫且假設為一個32位的變量賦值包括兩個過程：為低16位賦值，為高16位賦值。

那麽就可能發生一種情況：當將低16位數值寫入之後，突然被中斷，而此時又有一個線程去讀取i的值，那麽讀取到的就是錯誤的數據。

3.Java中的原子性

在Java中，對基本數據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，要麽執行，要麽不執行。

上面一句話雖然看起來簡單，但是理解起來並不是那麽容易。看下面一個例子i：

請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，可能會說上面的4個語句中的操作都是原子性操作。其實只有語句1是原子性操作，其他三個語句都不是原子性操作。

語句1是直接將數值10賦值給x，也就是說線程執行這個語句的會直接將數值10寫入到工作內存中。

語句2實際上包含2個操作，它先要去讀取x的值，再將x的值寫入工作內存，雖然讀取x的值以及 將x的值寫入工作內存 這2個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個操作：讀取x的值，進行加1操作，寫入新的值。

所以上面4個語句只有語句1的操作具備原子性。

也就是說，只有簡單的讀取、賦值（而且必須是將數字賦值給某個變量，變量之間的相互賦值不是原子操作）才是原子操作。

從上面可以看出，Java內存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實現更大範圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實現。由於synchronized和Lock能夠保證任一時刻只有一個線程執行該代碼塊，那麽自然就不存在原子性問題了，從而保證了原子性。

關於synchronized和Lock的使用，參考：關於synchronized和ReentrantLock之多線程同步詳解

三、可見性

1.定義

可見性是指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

2.實例

舉個簡單的例子，看下面這段代碼：

//線程1執行的代碼
int i = 0;
i = 10;

//線程2執行的代碼
j = i;

由上面的分析可知，當線程1執行 i =10這句時，會先把i的初始值加載到工作內存中，然後賦值為10，那麽在線程1的工作內存當中i的值變為10了，卻沒有立即寫入到主存當中。

此時線程2執行 j = i，它會先去主存讀取i的值並加載到線程2的工作內存當中，註意此時內存當中i的值還是0，那麽就會使得j的值為0，而不是10.

這就是可見性問題，線程1對變量i修改了之後，線程2沒有立即看到線程1修改的值。

3.Java中的可見性

對於可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。

當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他線程需要讀取時，它會去內存中讀取新值。

而普通的共享變量不能保證可見性，因為普通共享變量被修改之後，什麽時候被寫入主存是不確定的，當其他線程去讀取時，此時內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能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖然後執行同步代碼，並且在釋放鎖之前會將對變量的修改刷新到主存當中。因此可以保證可見性。

四、有序性

1.定義

有序性：即程序執行的順序按照代碼的先後順序執行。

2.實例

舉個簡單的例子，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int型變量，定義了一個boolean類型變量，然後分別對兩個變量進行賦值操作。從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那麽JVM在真正執行這段代碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執行嗎？不一定，為什麽呢？這裏可能會發生指令重排序（Instruction Reorder）。

下面解釋一下什麽是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程序運行效率，可能會對輸入代碼進行優化，它不保證程序中各個語句的執行先後順序同代碼中的順序一致，但是它會保證程序最終執行結果和代碼順序執行的結果是一致的。

比如上面的代碼中，語句1和語句2誰先執行對最終的程序結果並沒有影響，那麽就有可能在執行過程中，語句2先執行而語句1後執行。

但是要註意，雖然處理器會對指令進行重排序，但是它會保證程序最終結果會和代碼順序執行結果相同，那麽它靠什麽保證的呢？再看下面一個例子：

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個語句，那麽可能的一個執行順序是：

那麽可不可能是這個執行順序呢： 語句2 語句1 語句4 語句3

不可能，因為處理器在進行重排序時是會考慮指令之間的數據依賴性，如果一個指令Instruction 2必須用到Instruction 1的結果，那麽處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2之前執行。

雖然重排序不會影響單個線程內程序執行的結果，但是多線程呢？下面看一個例子：

//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，由於語句1和語句2沒有數據依賴性，因此可能會被重排序。假如發生了重排序，在線程1執行過程中先執行語句2，而此是線程2會以為初始化工作已經完成，那麽就會跳出while循環，去執行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時context並沒有被初始化，就會導致程序出錯。

從上面可以看出，指令重排序不會影響單個線程的執行，但是會影響到線程並發執行的正確性。

也就是說，要想並發程序正確地執行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個沒有被保證，就有可能會導致程序運行不正確。

3.Java中的有序性

在Java內存模型中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執行，卻會影響到多線程並發執行的正確性。

在Java裏面，可以通過volatile關鍵字來保證一定的“有序性”。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執行同步代碼，相當於是讓線程順序執行同步代碼，自然就保證了有序性。

另外，Java內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，這個通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個操作的執行次序無法從happens-before原則推導出來，那麽它們就不能保證它們的有序性，虛擬機可以隨意地對它們進行重排序。

下面就來具體介紹下happens-before原則（先行發生原則）：

①程序次序規則：一個線程內，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作

②鎖定規則：一個unLock操作先行發生於後面對同一個鎖的lock操作

③volatile變量規則：對一個變量的寫操作先行發生於後面對這個變量的讀操作

④傳遞規則：如果操作A先行發生於操作B，而操作B又先行發生於操作C，則可以得出操作A先行發生於操作C

⑤線程啟動規則：Thread對象的start()方法先行發生於此線程的每個一個動作

⑥線程中斷規則：對線程interrupt()方法的調用先行發生於被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生

⑦線程終結規則：線程中所有的操作都先行發生於線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經終止執行

⑧對象終結規則：一個對象的初始化完成先行發生於他的finalize()方法的開始

這8條規則中，前4條規則是比較重要的，後4條規則都是顯而易見的。

下面我們來解釋一下前4條規則：

對於程序次序規則來說，就是一段程序代碼的執行在單個線程中看起來是有序的。註意，雖然這條規則中提到“書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作”，這個應該是程序看起來執行的順序是按照代碼順序執行的，但是虛擬機可能會對程序代碼進行指令重排序。雖然進行重排序，但是最終執行的結果是與程序順序執行的結果一致的，它只會對不存在數據依賴性的指令進行重排序。因此，在單個線程中，程序執行看起來是有序執行的，這一點要註意理解。事實上，這個規則是用來保證程序在單線程中執行結果的正確性，但無法保證程序在多線程中執行的正確性。

第二條規則也比較容易理解，也就是說無論在單線程中還是多線程中，同一個鎖如果處於被鎖定的狀態，那麽必須先對鎖進行了釋放操作，後面才能繼續進行lock操作。

第三條規則是一條比較重要的規則。直觀地解釋就是，如果一個線程先去寫一個變量，然後一個線程去進行讀取，那麽寫入操作肯定會先行發生於讀操作。

第四條規則實際上就是體現happens-before原則具備傳遞性。

五、深入理解volatile關鍵字

1.volatile保證可見性

一旦一個共享變量（類的成員變量、類的靜態成員變量）被volatile修飾之後，那麽就具備了兩層語義：

1）保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。

2）禁止進行指令重排序。

先看一段代碼，假如線程1先執行，線程2後執行：

//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可能都會采用這種標記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運行正確麽？即一定會將線程中斷麽？不一定，也許在大多數時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導致無法中斷線程（雖然這個可能性很小，但是只要一旦發生這種情況就會造成死循環了）。

下面解釋一下這段代碼為何有可能導致無法中斷線程。在前面已經解釋過，每個線程在運行過程中都有自己的工作內存，那麽線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內存當中。

那麽當線程2更改了stop變量的值之後，但是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉去做其他事情了，那麽線程1由於不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環下去。

但是用volatile修飾之後就變得不一樣了：

第一：使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存；

第二：使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會導致線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效）；

第三：由於線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。

那麽在線程2修改stop值時（當然這裏包括2個操作，修改線程2工作內存中的值，然後將修改後的值寫入內存），會使得線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，然後線程1讀取時，發現自己的緩存行無效，它會等待緩存行對應的主存地址被更新之後，然後去對應的主存讀取最新的值。

那麽線程1讀取到的就是最新的正確的值。

2.volatile不能確保原子性

下面看一個例子：

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行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

大家想一下這段程序的輸出結果是多少？也許有些朋友認為是10000。但是事實上運行它會發現每次運行結果都不一致，都是一個小於10000的數字。

可能有的朋友就會有疑問，不對啊，上面是對變量inc進行自增操作，由於volatile保證了可見性，那麽在每個線程中對inc自增完之後，在其他線程中都能看到修改後的值啊，所以有10個線程分別進行了1000次操作，那麽最終inc的值應該是1000*10=10000。

這裏面就有一個誤區了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程序錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是最新的值，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。

在前面已經提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作內存。那麽就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執行，就有可能導致下面這種情況出現：

假如某個時刻變量inc的值為10，

線程1對變量進行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然後線程1被阻塞了；

然後線程2對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由於線程1只是對變量inc進行讀取操作，而沒有對變量進行修改操作，所以不會導致線程2的工作內存中緩存變量inc的緩存行無效，也不會導致主存中的值刷新，所以線程2會直接去主存讀取inc的值，發現inc的值時10，然後進行加1操作，並把11寫入工作內存，最後寫入主存。

然後線程1接著進行加1操作，由於已經讀取了inc的值，註意此時在線程1的工作內存中inc的值仍然為10，所以線程1對inc進行加1操作後inc的值為11，然後將11寫入工作內存，最後寫入主存。

那麽兩個線程分別進行了一次自增操作後，inc只增加了1。

根源就在這裏，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。

解決方案：可以通過synchronized或lock，進行加鎖，來保證操作的原子性。也可以通過AtomicInteger。

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對基本數據類型的 自增（加1操作），自減（減1操作）、以及加法操作（加一個數），減法操作（減一個數）進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實現原子性操作的（Compare And Swap），CAS實際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實現的，而處理器執行CMPXCHG指令是一個原子性操作。

3.volatile保證有序性

在前面提到volatile關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關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

1）當程序執行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經進行，且結果已經對後面的操作可見；在其後面的操作肯定還沒有進行；

2）在進行指令優化時，不能將在對volatile變量的讀操作或者寫操作的語句放在其後面執行，也不能把volatile變量後面的語句放到其前面執行。

可能上面說的比較繞，舉個簡單的例子：

//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

由於flag變量為volatile變量，那麽在進行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5後面。但是要註意語句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。

並且volatile關鍵字能保證，執行到語句3時，語句1和語句2必定是執行完畢了的，且語句1和語句2的執行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。

那麽我們回到前面舉的一個例子：

//線程1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2

//線程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

前面舉這個例子的時候，提到有可能語句2會在語句1之前執行，那麽久可能導致context還沒被初始化，而線程2中就使用未初始化的context去進行操作，導致程序出錯。

這裏如果用volatile關鍵字對inited變量進行修飾，就不會出現這種問題了，因為當執行到語句2時，必定能保證context已經初始化完畢。

六、volatile的實現原理

1.可見性

處理器為了提高處理速度，不直接和內存進行通訊，而是將系統內存的數據獨到內部緩存後再進行操作，但操作完後不知什麽時候會寫到內存。

如果對聲明了volatile變量進行寫操作時，JVM會向處理器發送一條Lock前綴的指令，將這個變量所在緩存行的數據寫會到系統內存。 這一步確保了如果有其他線程對聲明了volatile變量進行修改，則立即更新主內存中數據。

但這時候其他處理器的緩存還是舊的，所以在多處理器環境下，為了保證各個處理器緩存一致，每個處理會通過嗅探在總線上傳播的數據來檢查 自己的緩存是否過期，當處理器發現自己緩存行對應的內存地址被修改了，就會將當前處理器的緩存行設置成無效狀態，當處理器要對這個數據進行修改操作時，會強制重新從系統內存把數據讀到處理器緩存裏。 這一步確保了其他線程獲得的聲明了volatile變量都是從主內存中獲取最新的。

2.有序性

Lock前綴指令實際上相當於一個內存屏障（也成內存柵欄），它確保指令重排序時不會把其後面的指令排到內存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內存屏障的後面；即在執行到內存屏障這句指令時，在它前面的操作已經全部完成。

七、volatile的應用場景

synchronized關鍵字是防止多個線程同時執行一段代碼，那麽就會很影響程序執行效率，而volatile關鍵字在某些情況下性能要優於synchronized，但是要註意volatile關鍵字是無法替代synchronized關鍵字的，因為volatile關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個條件：

1）對變量的寫操作不依賴於當前值

2）該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中

下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景。

①.狀態標記量

volatile boolean flag = false;
 //線程1
while(!flag){
    doSomething();
}
  //線程2
public void setFlag() {
    flag = true;
}

根據狀態標記，終止線程。

②.單例模式中的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;
    }
}

為什麽要使用volatile 修飾instance？

主要在於instance = new Singleton()這句，這並非是一個原子操作，事實上在 JVM 中這句話大概做了下面 3 件事情:

1.給 instance 分配內存

2.調用 Singleton 的構造函數來初始化成員變量

3.將instance對象指向分配的內存空間（執行完這步 instance 就為非 null 了）。

但是在 JVM 的即時編譯器中存在指令重排序的優化。也就是說上面的第二步和第三步的順序是不能保證的，最終的執行順序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是後者，則在 3 執行完畢、2 未執行之前，被線程二搶占了，這時 instance 已經是非 null 了（但卻沒有初始化），所以線程二會直接返回 instance，然後使用，然後順理成章地報錯。

深入理解volatile關鍵字