2022-03-24

jmm（java内存模型）和volatile详解

1. 可见性问题

现代计算机的cpu都是多核cpu，鉴于内存(RAM)的速度对于cpu来说还不够快。因此多核cpu涉及出了缓存的概念进一步加速cpu的速度。在cpu一侧引入缓存会带来一致性的问题，而我们java同时也受到了这个的影响。

cpu缓存

考虑一下下面代码的执行结果有是什么？

public class TaskRunner {

    private static int number = 0;
    private static boolean ready = false;

    private static class Reader extends Thread {

        @Override
        public void run() {
            while (!ready) {
                Thread.yield();
            }

            System.out.println(number);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Reader().start();
        number = 42;
        ready = true;
    }
}

正常预期来说结果会是42，但是也有可能结果输出为0。这是怎么回事呢？

假设我们cpu有两个核心，核心A运行主线程，核心B运行Reader线程。核心A更新了number之后，其实只是在cpu核心A缓存中进行修改，并且未同步到主内存（RAM）和cpu核心B缓存。因此当核心B运行Reader线程读取number时，只是读的核心B缓存中的值，并非Number的最新值。而最新值cpu会选择合适的时机把缓存中的值统一刷新到主存（RAM）中去。

因此这意味着主线程更新了number之后，reader线程对number的最新值能否看到是有不确定性的。

2. 指令重排

更糟糕的是，我们的代码可能不会按照我们预期的顺序执行，这样也会导致我们看到的结果是0，而不是42。

1 2	number = 42; ready = true;

这里有可能先给ready赋值，再给number赋值。出现这样指令重排的原因是为了提高性能而做的优化。因为在大多数情况下，改变赋值的顺序，并不影响最终结果。但是多线程竞争下就可能出现问题。具体来说不同的组件都可能使用指令重排的优化，比如：

处理器可能以任何可能的顺序从cpu核心缓存刷新数据到主存中。
处理器可能使用乱序执行的优化技术。
jit编译器也有可能重排指令。

3. volatile

为了保证多线程状态下，变量的可见性能如预期的那样，我们可以使用volatile关键字修饰变量。这样cpu和运行时环境jvm都知道被volatile修饰的变量都不应该被重排、已经应该把所有修改及时刷新到主存中去。因此可以总结一下volatile：

保证可见性
禁止指令重排
不保证原子性(特殊情况：boolean和int赋值可以保证原子性)

有必要说下为什么volatile为什么不保证原子性。

原子性意味着不可分割，完整性，即某个操作中间不可以被加塞或者分隔，要么同时成功，要么同时失败。

我们想想一下这样一个方法。

public static volatile int num =0;

public void plus(){
    num++
}

当多个线程同时运行plus函数时，num的总数会小于调用plus的次数。为什么会这样，因为在字节码层面，num++会被编译器翻译成多行指令，因此在执行时会被打断，无法保持原子性。

4. Happens-Before

因为jvm会对代码进行编译优化，指令会出现重排序的情况，为了避免编译优化对并发编程安全性的影响，需要happens-before规则定义一些禁止编译优化的场景，保证并发编程的正确性。
Happens-Before的规则包括：

程序顺序规则
锁定规则
volatile变量规则
线程启动规则
线程结束规则
中断规则
终结器规则
传递性规则

5. 内存屏障原理

内存屏障是硬件层的概念，不同的硬件平台实现内存屏障的手段并不是一样，java通过屏蔽这些差异，统一由jvm来生成内存屏障的指令。硬件层的内存屏障分为两种：

Load Barrier 读屏障

对于Load Barrier来说，在指令前插入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制从新从主内存加载新数据；
Store Barrier写屏障。

对于Store Barrier来说，在指令后插入Store Barrier，能让写入缓存中的最新数据更新写入主内存，让其他线程可见。

内存屏障有两个作用：

阻止屏障两侧的指令重排序；
强制把写缓冲区/高速缓存中的脏数据等写回主内存，让缓存中相应的数据失效。