共享模型之内存
上一章讲解的 Monitor 主要关注的是访问共享变量时，保证临界区代码的原子性。这一章我们进一步深入学习共享变量在多线程间的【可见性】问题与多条指令执行时的【有序性】问题
5.1 Java 内存模型
JMM 即 Java Memory Model，它从java层面定义了主存、工作内存抽象概念，底层对应着 CPU 寄存器、缓存、硬件内存、CPU 指令优化等。JMM 体现在以下几个方面
- 原子性 - 保证指令不会受到线程上下文切换的影响
- 可见性 - 保证指令不会受 cpu 缓存的影响
- 有序性 - 保证指令不会受 cpu 指令并行优化的影响
5.2 可见性
退不出的循环
先来看一个现象，main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致了 t 线程无法停止：Test1.java
public class Test1 {static boolean run = true;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t = new Thread(()->{while(run){// ....// System.out.println(2323); 如果加上这个代码就会停下来}});t.start();utils.sleep(1);System.out.println(3434);run = false; // 线程t不会如预想的停下来}}
为什么呢？分析一下：
- 初始状态， t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存。
- 因为t1线程频繁地从主存中读取run的值，jit即时编译器会将run的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中，减少对主存中run的访问以提高效率
- 1 秒之后，main 线程修改了 run 的值，并同步至主存，而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量 的值，结果永远是旧值
解决方法
volatile（表示易变关键字的意思），它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存 Test1.java
使用synchronized关键字也有相同的效果！在Java内存模型中，synchronized规定，线程在加锁时， 先清空工作内存→在主内存中拷贝最新变量的副本到工作内存 →执行完代码→将更改后的共享变量的值刷新到主内存中→释放互斥锁。Test2.java
可见性 vs 原子性
前面例子体现的实际就是可见性，它保证的是在多个线程之间一个线程对 volatile 变量的修改对另一个线程可 见， 而不能保证原子性，仅用在一个写线程，多个读线程的情况。 上例从字节码理解是这样的：
getstatic run // 线程 t 获取 run truegetstatic run // 线程 t 获取 run truegetstatic run // 线程 t 获取 run truegetstatic run // 线程 t 获取 run trueputstatic run // 线程 main 修改 run 为 false， 仅此一次getstatic run // 线程 t 获取 run false
比较一下之前我们将线程安全时举的例子：两个线程一个 i++ 一个 i— ，只能保证看到最新值，不能解决指令交错
// 假设i的初始值为0getstatic i // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0iconst_1 // 线程1-准备常量1iadd // 线程1-自增 线程内i=1putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1iconst_1 // 线程2-准备常量1isub // 线程2-自减 线程内i=-1putstatic i // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1
注意 ：synchronized 语句块既可以保证代码块的原子性，也同时保证代码块内变量的可见性。但缺点是 synchronized 是属于重量级操作，性能相对更低。 如果在前面示例的死循环中加入 System.out.println() 会发现即使不加 volatile 修饰符，线程 t 也能正确看到 对 run 变量的修改了，想一想为什么？因为println方法里面有synchronized修饰。还有那个等烟的示例(Test34.java)为啥没有出现可见性问题?和synchrozized是一个道理。
模式之两阶段终止
使用volatile关键字来实现两阶段终止模式，上代码：Test3.java
模式之 Balking
int num = 0;// volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排 volatile boolean ready = false; 可以防止变量之前的代码被重排序boolean ready = false;// 线程1 执行此方法public void actor1(I_Result r) {if(ready) {r.r1 = num + num;}else {r.r1 = 1;}}// 线程2 执行此方法public void actor2(I_Result r) {num = 2;ready = true;}
分别执行上面两个线程
I_Result 是一个对象，有一个属性 r1 用来保存结果，问可能的结果有几种？ 有同学这么分析 情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1 情况2：线程2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结果为1 情况3：线程2 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）
但我告诉你，结果还有可能是 0 ，信不信吧！这种情况下是：线程2 执行 ready = true，切换到线程1，进入 if 分支，相加为 0，再切回线程2 执行 num = 2。
这种现象叫做指令重排，是 JIT 编译器在运行时的一些优化，这个现象需要通过大量测试才能复现，可以使用jcstress工具进行测试。上面仅是从代码层面体现出了有序性问题，下面在讲到 double-checked locking 问题时还会从java字节码的层面了解有序性的问题。
重排序也需要遵守一定规则：
- 重排序操作不会对存在数据依赖关系的操作进行重排序。比如：a=1;b=a; 这个指令序列，由于第二个操作依赖于第一个操作，所以在编译时和处理器运行时这两个操作不会被重排序。
- 重排序是为了优化性能，但是不管怎么重排序，单线程下程序的执行结果不能被改变。比如：a=1;b=2;c=a+b这三个操作，第一步（a=1)和第二步(b=2)由于不存在数据依赖关系，所以可能会发生重排序，但是c=a+b这个操作是不会被重排序的，因为需要保证最终的结果一定是c=a+b=3。
重排序在单线程模式下是一定会保证最终结果的正确性，但是在多线程环境下，问题就出来了。解决方法：volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排
注意：使用synchronized并不能解决有序性问题，但是如果是该变量整个都在synchronized代码块的保护范围内，那么变量就不会被多个线程同时操作，也不用考虑有序性问题！在这种情况下相当于解决了重排序问题！参考double-checked locking 问题里的代码，第一个代码片段中的instance变量都在synchronized代码块中，第二个代码片段中instance不全在synchronized中所以产生了问题。 视频 P151
volatile 原理
volatile 的底层实现原理是内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）
public void actor2(I_Result r) {num = 2;ready = true; // ready是被volatile修饰的 ，赋值带写屏障// 写屏障}
- 而读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据
public void actor1(I_Result r) { // 读屏障 // ready是被volatile修饰的 ，读取值带读屏障 if(ready) { r.r1 = num + num; } else { r.r1 = 1; } }
如何保证有序性
写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
public void actor2(I_Result r) { num = 2; ready = true; // ready是被volatile修饰的 ， 赋值带写屏障 // 写屏障 }读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前
public void actor1(I_Result r) { // 读屏障 // ready是被volatile修饰的 ，读取值带读屏障 if(ready) { r.r1 = num + num; } else { r.r1 = 1; } }
还是那句话，不能解决指令交错：
- 写屏障仅仅是保证之后的读能够读到最新的结果，但不能保证其它线程的读跑到它前面去
- 而有序性的保证也只是保证了本线程内相关代码不被重排序
double-checked locking 问题
以著名的 double-checked locking 单例模式为例，这是volatile最常使用的地方。
//最开始的单例模式是这样的
public final class Singleton {
private Singleton() { }
private static Singleton INSTANCE = null;
public static Singleton getInstance() {
// 首次访问会同步，而之后的使用不用进入synchronized
synchronized(Singleton.class) {
if (INSTANCE == null) { // t1
INSTANCE = new Singleton();
}
}
return INSTANCE;
}
}
//但是上面的代码块的效率是有问题的，因为即使已经产生了单实例之后，之后调用了getInstance()方法之后还是会加锁，这会严重影响性能！因此就有了模式如下double-checked lockin：
public final class Singleton {
private Singleton() { }
private static Singleton INSTANCE = null;
public static Singleton getInstance() {
if(INSTANCE == null) { // t2
// 首次访问会同步，而之后的使用没有 synchronized
synchronized(Singleton.class) {
if (INSTANCE == null) { // t1
INSTANCE = new Singleton();
}
}
}
return INSTANCE;
}
}
//但是上面的if(INSTANCE == null)判断代码没有在同步代码块synchronized中，不能享有synchronized保证的原子性，可见性。所以
以上的实现特点是：
- 懒惰实例化
- 首次使用 getInstance() 才使用 synchronized 加锁，后续使用时无需加锁
- 有隐含的，但很关键的一点：第一个 if 使用了 INSTANCE 变量，是在同步块之外
但在多线程环境下，上面的代码是有问题的，getInstance 方法对应的字节码为：
0: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
3: ifnonnull 37
// ldc是获得类对象
6: ldc #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
// 复制操作数栈栈顶的值放入栈顶, 将类对象的引用地址复制了一份
8: dup
// 操作数栈栈顶的值弹出，即将对象的引用地址存到局部变量表中
// 将类对象的引用地址存储了一份，是为了将来解锁用
9: astore_0
10: monitorenter
11: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
14: ifnonnull 27
// 新建一个实例
17: new #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
// 复制了一个实例的引用
20: dup
// 通过这个复制的引用调用它的构造方法
21: invokespecial #4 // Method "<init>":()V
// 最开始的这个引用用来进行赋值操作
24: putstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
27: aload_0
28: monitorexit
29: goto 37
32: astore_1
33: aload_0
34: monitorexit
35: aload_1
36: athrow
37: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
40: areturn
其中
- 17 表示创建对象，将对象引用入栈 // new Singleton
- 20 表示复制一份对象引用 // 复制了引用地址
- 21 表示利用一个对象引用，调用构造方法 // 根据复制的引用地址调用构造方法
- 24 表示利用一个对象引用，赋值给 static INSTANCE
也许 jvm 会优化为：先执行 24，再执行 21。如果两个线程 t1，t2 按如下时间序列执行：
关键在于 0: getstatic 这行代码在 monitor 控制之外，它就像之前举例中不守规则的人，可以越过 monitor 读取 INSTANCE 变量的值 这时 t1 还未完全将构造方法执行完毕，如果在构造方法中要执行很多初始化操作，那么 t2 拿到的是将是一个未初 始化完毕的单例 对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可，可以禁用指令重排，但要注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才会真正有效
double-checked locking 解决
加volatile就行了
public final class Singleton {
private Singleton() { }
private static volatile Singleton INSTANCE = null;
public static Singleton getInstance() {
// 实例没创建，才会进入内部的 synchronized代码块
if (INSTANCE == null) {
synchronized (Singleton.class) { // t2
// 也许有其它线程已经创建实例，所以再判断一次
if (INSTANCE == null) { // t1
INSTANCE = new Singleton();
}
}
}
return INSTANCE;
}
}
字节码上看不出来 volatile 指令的效果
// -------------------------------------> 加入对 INSTANCE 变量的读屏障
0: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
3: ifnonnull 37
6: ldc #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
8: dup
9: astore_0
10: monitorenter -----------------------> 保证原子性、可见性
11: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
14: ifnonnull 27
17: new #3 // class cn/itcast/n5/Singleton
20: dup
21: invokespecial #4 // Method "<init>":()V
24: putstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
// -------------------------------------> 加入对 INSTANCE 变量的写屏障
27: aload_0
28: monitorexit ------------------------> 保证原子性、可见性
29: goto 37
32: astore_1
33: aload_0
34: monitorexit
35: aload_1
36: athrow
37: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton;
40: areturn
如上面的注释内容所示，读写 volatile 变量操作（即getstatic操作和putstatic操作）时会加入内存屏障（Memory Barrier（Memory Fence）），保证下面两点：
- 可见性
- 写屏障（sfence）保证在该屏障之前的 t1 对共享变量的改动，都同步到主存当中
- 而读屏障（lfence）保证在该屏障之后 t2 对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据
- 有序性
- 写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
- 读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前
- 更底层是读写变量时使用 lock 指令来多核 CPU 之间的可见性与有序性
happens-before
下面说的变量都是指成员变量或静态成员变量
- 线程解锁 m 之前对变量的写，对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见
```java
static int x;
static Object m = new Object();
new Thread(()->{
synchronized(m) {
} },”t1”).start(); new Thread(()->{ synchronized(m) {x = 10;
} },”t2”).start();System.out.println(x);
2. 线程对 volatile 变量的写，对接下来其它线程对该变量的读可见
```java
```java
volatile static int x;
new Thread(()->{
x = 10;
},"t1").start();
new Thread(()->{
System.out.println(x);
},"t2").start();
3. 线程 start 前对变量的写，对该线程开始后对该变量的读可见
```java
```java
static int x;
x = 10;
new Thread(()->{
System.out.println(x);
},"t2").start();
4. 线程结束前对变量的写，对其它线程得知它结束后的读可见（比如其它线程调用 t1.isAlive() 或 t1.join()等待它结束）
```java
```java
static int x;
Thread t1 = new Thread(()->{
x = 10;
},"t1");
t1.start();
t1.join();
System.out.println(x);
5. 线程 t1 打断 t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见（通过 t2.interrupted 或 t2.isInterrupted）
5.
```java
static int x;
public static void main(String[] args) {
Thread t2 = new Thread(()->{
while(true) {
if(Thread.currentThread().isInterrupted()) {
System.out.println(x);
break;
}
}
},"t2");
t2.start();
new Thread(()->{
sleep(1);
x = 10;
t2.interrupt();
},"t1").start();
while(!t2.isInterrupted()) {
Thread.yield();
}
System.out.println(x);
}
7. 对变量默认值（0，false，null）的写，对其它线程对该变量的读可见
7. 具有传递性，如果 x hb-> y 并且 y hb-> z 那么有 x hb-> z ，配合 volatile 的防指令重排，有下面的例子
```java
volatile static int x;
static int y;
new Thread(()->{
y = 10;
x = 20;
},"t1").start();
new Thread(()->{
// x=20 对 t2 可见, 同时 y=10 也对 t2 可见
System.out.println(x);
},"t2").start();
总结
volatile主要用在一个线程改多个线程读时的来保证可见性，和double-checked locking模式中保证synchronized代码块外的共享变量的重排序问题
习题
balking 模式习题
希望 doInit() 方法仅被调用一次，下面的实现是否有问题，为什么？
public class TestVolatile {
volatile boolean initialized = false;
void init() {
if (initialized) {
return;
}
doInit();
initialized = true;
}
private void doInit() {
}
}
线程安全单例习题
单例模式有很多实现方法，饿汉、懒汉、静态内部类、枚举类，试分析每种实现下获取单例对象（即调用 getInstance）时的线程安全，并思考注释中的问题 饿汉式：类加载就会导致该单实例对象被创建 懒汉式：类加载不会导致该单实例对象被创建，而是首次使用该对象时才会创建
实现1： 饿汉式
// 问题1：为什么加 final，防止子类继承后更改
// 问题2：如果实现了序列化接口, 还要做什么来防止反序列化破坏单例，如果进行反序列化的时候会生成新的对象，这样跟单例模式生成的对象是不同的。要解决直接加上readResolve()方法就行了，如下所示
public final class Singleton implements Serializable {
// 问题3：为什么设置为私有? 放弃其它类中使用new生成新的实例，是否能防止反射创建新的实例?不能。
private Singleton() {}
// 问题4：这样初始化是否能保证单例对象创建时的线程安全?没有，这是类变量，是jvm在类加载阶段就进行了初始化，jvm保证了此操作的线程安全性
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
// 问题5：为什么提供静态方法而不是直接将 INSTANCE 设置为 public, 说出你知道的理由。
//1.提供更好的封装性；2.提供范型的支持
public static Singleton getInstance() {
return INSTANCE;
}
public Object readResolve() {
return INSTANCE;
}
}
实现2： 饿汉式
// 问题1：枚举单例是如何限制实例个数的：创建枚举类的时候就已经定义好了，每个枚举常量其实就是枚举类的一个静态成员变量
// 问题2：枚举单例在创建时是否有并发问题：没有，这是静态成员变量
// 问题3：枚举单例能否被反射破坏单例：不能
// 问题4：枚举单例能否被反序列化破坏单例：枚举类默认实现了序列化接口，枚举类已经考虑到此问题，无需担心破坏单例
// 问题5：枚举单例属于懒汉式还是饿汉式：饿汉式
// 问题6：枚举单例如果希望加入一些单例创建时的初始化逻辑该如何做：加构造方法就行了
enum Singleton {
INSTANCE;
}
实现3：懒汉式
public final class Singleton {
private Singleton() { }
private static Singleton INSTANCE = null;
// 分析这里的线程安全, 并说明有什么缺点：synchronized加载静态方法上，可以保证线程安全。缺点就是锁的范围过大
public static synchronized Singleton getInstance() {
if( INSTANCE != null ){
return INSTANCE;
}
INSTANCE = new Singleton();
return INSTANCE;
}
}
实现4：DCL 懒汉式
public final class Singleton {
private Singleton() { }
// 问题1：解释为什么要加 volatile ?为了防止重排序问题
private static volatile Singleton INSTANCE = null;
// 问题2：对比实现3, 说出这样做的意义：提高了效率
public static Singleton getInstance() {
if (INSTANCE != null) {
return INSTANCE;
}
synchronized (Singleton.class) {
// 问题3：为什么还要在这里加为空判断, 之前不是判断过了吗？这是为了第一次判断时的并发问题。
if (INSTANCE != null) { // t2
return INSTANCE;
}
INSTANCE = new Singleton();
return INSTANCE;
}
}
}
实现5：
public final class Singleton {
private Singleton() { }
// 问题1：属于懒汉式还是饿汉式：懒汉式，这是一个静态内部类。类加载本身就是懒惰的，在没有调用getInstance方法时是没有执行LazyHolder内部类的类加载操作的。
private static class LazyHolder {
static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
// 问题2：在创建时是否有并发问题，这是线程安全的，类加载时，jvm保证类加载操作的线程安全
public static Singleton getInstance() {
return LazyHolder.INSTANCE;
}
}
5.4本章小结
本章重点讲解了 JMM 中的
- 可见性 - 由 JVM 缓存优化引起
- 有序性 - 由 JVM 指令重排序优化引起
- happens-before 规则
- 原理方面
- volatile
- 模式方面
- 两阶段终止模式的 volatile 改进
- 同步模式之 balking
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