Java多线程之内存可见性

针对多线程之间的数据争用问题，很自然我们就引出了多线程内存可见性的讨论！

1. 共享变量在线程间的可见性
2. Synchronized实现可见性
3. Volatile实现可见性

（1）     指令重排序

（2）     As-if-serial语义

（3）     Volatile使用注意事项

1. Synchronized和volatile比较

可见性介绍：

可见性：一个线程对共享变量的修改，能够及时地被其它线程看到

共享变量：如果一个变量在多个线程的工作内存中都存在副本，那么这个变量就是这几个线程的共享变量。

Java内存模型（JMM）

Java内存模型（Java Memory Model）描述了Java程序中各种变量（线程共享变量）的访问规则，以及在JVM中将变量存储到和从内存中读取出变量这样的底层细节。

1. 所有的变量都存储在主内存中
2. 每个线程都有自己独立的工作内存，里面保存该线程使用到的变量的副本（主内存中该变量的一份拷贝）

                       

JMM(Java内存模型)的两条规则

1. 线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，不能直接从主内存中读写
2. 不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来完成。

共享变量可见性实现的原理

线程1对共享变量的修改想要被线程2及时看到，必须要经过如下两个步骤：

1. 把工作内存1中更新过的共享变量刷新到主内存中
2. 将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中。

 

可见性

要实现共享变量的可见性，必须保证两点：

1. 线程修改后的共享变量值弄够及时从工作内存刷新到主内存中
2. 其他线程能够及时把共享变量的最新值从主内存中更新到自己的工作内存中。

Java语言层面支持的可见性实现方式：

Synchronized

Volatile

Synchronized能够实现：

原子性（同步）

可见性

JMM关于synchronized的两条规定：

1. 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中
2. 线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中从新读取最新的值。（注意：加锁与解锁需要同一个锁）

线程解锁前对共享变量的修改在下次加锁时对其他线程可见

线程执行互斥代码的过程：

1. 获取互斥锁
2. 清空工作内存
3. 从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存
4. 执行代码
5. 将更改后的共享变量的值刷新到主内存
6. 释放互斥锁

重排序

重排序：代码书写的顺序与实际执行的顺序不同，指令重排序是编译器或处理器为了提高程序性能而做的优化

1. 编译器优化的重排序（编译器优化）
2. 指令级并行重排序（处理器优化）
3. 内存系统的重排序（处理器优化）

as-if-serial

as-if-serial:无论如何重排序，程序执行的结果应该与代码顺序执行的结果一致（

Java编译器、运行时和处理器都会保证Java在单线程下遵循as-if-serial语义）

导致共享变量在线程间不可见的原因：

1. 线程的交叉执行
2. 从排序结合线程交叉执行
3. 共享变量更新后的值没有在工作内存与住内存间及时更新

package chengxuyuanzhilu.com;

/** 
* @ClassName: SynchronizedDemo 
* @Description: 多线程内存可见性
* @author 微信公众号：程序员之路 
* @date 2015年8月7日 上午11:51:34  
*/ 
public class SynchronizedDemo {
    //共享变量
    private boolean ready = false;
    private int result = 0;
    private int number = 1;   
    //写操作
    public synchronized void write(){
        ready = true;                           //1.1                
        number = 2;                            //1.2                
    }
    //读操作
    public synchronized void read(){                    
        if(ready){                             //2.1
            result = number*3;         //2.2
        }       
        System.out.println("result的值为：" + result);
    }

    //内部线程类
    private class ReadWriteThread extends Thread {
        //根据构造方法中传入的flag参数，确定线程执行读操作还是写操作
        private boolean flag;
        public ReadWriteThread(boolean flag){
            this.flag = flag;
        }
        @Override                                                                    
        public void run() {
            if(flag){
                //构造方法中传入true，执行写操作
                write();
            }else{
                //构造方法中传入false，执行读操作
                read();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args)  {
        SynchronizedDemo synDemo = new SynchronizedDemo();
        //启动线程执行写操作
        synDemo .new ReadWriteThread(true).start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        //启动线程执行读操作
        synDemo.new ReadWriteThread(false).start();
    }
}

 

Volatile实现可见性

Volatile关键字：

1. 能够保证volatile变量的可见性
2. 不能保证volatile变量复合操作的原子性

Volatile如何实现内存可见性

深入来说：通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现。

1. 对volatile变量执行写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令
2. 对volatile变量执行度操作时，会在度造作前加入一条load屏障指令

通俗的讲：volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中重复读该变量的值，而当该变量发生变化时，又强迫线程将最新的值刷新到主内存中。这样任何时刻，不同的线程总能看到该变量的最新值。

线程写volatile变量的过程：

1. 改变线程工作内存中volatile变量副本的值
2. 将改变后的副本的值从工作内存刷新到主内存

线程读volatile变量的过程：

1. 从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中
2. 从工作内存中读取volatile变量的副本

 

package chengxuyuanzhilu.com;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/** 
* @ClassName: VolatileDemo 
* @author 微信公众号：程序员之路 
* @date 2015年8月7日 下午2:31:44  
*/ 
public class VolatileDemo {

    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private int number = 0;
    
    public int getNumber(){
        return this.number;
    }
    
    public void increase(){
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        lock.lock();
        try {
            this.number++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    
    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        final VolatileDemo volDemo = new VolatileDemo();
        for(int i = 0 ; i < 500 ; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                
                @Override
                public void run() {
                    volDemo.increase();
                }
            }).start();
        }
        
        //如果还有子线程在运行，主线程就让出CPU资源，
        //直到所有的子线程都运行完了，主线程再继续往下执行
        while(Thread.activeCount() > 1){
            Thread.yield();
        }
        
        System.out.println("number : " + volDemo.getNumber());
    }

}

总结：

1. 什么是内存可见性
2. JMM(Java内存模型)
3. 实现可见性的方式：synchronized和volatile

Final也可以保证内存可见性

1. Synchronized和volatile实现内存可见性的原理
2. Synchonized实现可见性

指令重排序

As-if-serial语义

1. Volatile实现可见性

Volatile能够保证可见性

Volatile不能保证原子性

Volatile使用注意事项