一：計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存模型

計(jì)算機(jī)中指令都通過CPU去執(zhí)行，執(zhí)行執(zhí)行的時(shí)候一般都會(huì)涉及到讀寫，我們都知道CUP的計(jì)算速度是很快的，如果都把數(shù)據(jù)放到我們的主存中則會(huì)造成CPU每執(zhí)行一條指令都要等待的問題，這個(gè)時(shí)候高速緩存Cache應(yīng)運(yùn)而生。Cache就是把一些處理的中間數(shù)據(jù)緩存起來大大加快了指令的處理速度。
以上的模型針對(duì)于單核CPU是沒有問題的，但是多核CPU的話就會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致的情況。真實(shí)的計(jì)算機(jī)內(nèi)存模型如下。

這個(gè)內(nèi)存模型比我們想的多了個(gè)“緩存一致性協(xié)議或者總線鎖機(jī)制”，這個(gè)東東就是解決我們上面說的緩存不一致的問題。
為了解決緩存一致性的問題，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要各個(gè)處理器讀寫緩存時(shí)遵循一些協(xié)議（MSI、MESI、MOSI、Synapse、Firefly、DragonProtocal，這些都是緩存協(xié)議），按照協(xié)議來進(jìn)行讀寫訪問緩存。
其實(shí)，除了緩存之外，處理器還會(huì)對(duì)輸入的代碼程序在保證結(jié)果不變的情況下進(jìn)行重排序，這就是著名的“指令重排序”，旨在提高運(yùn)行效率。
例如：

int a = 0; int b = 1; int c = a + b;

這里a=0,b=1兩句可以隨便排序，不影響程序邏輯結(jié)果，但c=a+b這句必須在前兩句的后面執(zhí)行。

二：內(nèi)存模型中三個(gè)概念

1. 原子性（Atomicity）

原子性指的是操作不可中斷，不可分割的原子操作。Java內(nèi)存模型直接用來保證原子性變量的操作包括use、read、load、assign、store、write，我們大致可以認(rèn)為Java基本數(shù)據(jù)類型的訪問都是原子性的，如果用戶要操作一個(gè)更大的范圍保證原子性，Java內(nèi)存模型還提供了lock和unlock來滿足這種需求，但是這兩種操作沒有直接開放給用戶，而是提供了兩個(gè)更高層次的字節(jié)碼指令：monitorenter 和 moniterexit，這兩個(gè)指令對(duì)應(yīng)到Java代碼中就是synchronized關(guān)鍵字，所以synchronized代碼塊之間的操作具有原子性。

2. 可見性（Visibility）

可見性指的一個(gè)變量的是共享的，一個(gè)線程修改，其他線程立刻可見。在Java中，除了volatile可以實(shí)現(xiàn)可見性之外，synchronized和final關(guān)鍵字也能實(shí)現(xiàn)可見性。synchronized同步塊的可見性是因?yàn)閷?duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須將變量的改動(dòng)寫回主內(nèi)存來(store、write兩個(gè)操作)實(shí)現(xiàn)的。而final字段則是因?yàn)橐坏ゝinal字段初始化完成，其他線程就可以訪問final字段的值，而且final字段初始化完成之后就不再可變。

3. 有序性（Ordering）

處理器會(huì)對(duì)指令或者程序進(jìn)行重排序優(yōu)化。這種優(yōu)化在單線程處理中不會(huì)存在問題，但是多線程條件下可能會(huì)出問題。Java中提供了volatile和synchronized關(guān)鍵字來保證線程間操作的有序性。

三：Java內(nèi)存模型

1. Java主內(nèi)存和工作內(nèi)存

Java內(nèi)訓(xùn)模型中規(guī)定所有變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，對(duì)應(yīng)就是Java的堆內(nèi)存。每個(gè)線程都有自己獨(dú)有的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中變量來自主內(nèi)存副本拷貝，線程對(duì)變量的讀寫操作都必須在工作內(nèi)存中機(jī)型，不能直接讀寫主存中的變量。工作內(nèi)存也是相互獨(dú)立的。交互圖如下：

由圖可知如果兩個(gè)線程同時(shí)操作同一個(gè)共享變量，則可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致的問題。

2. 內(nèi)存交互操作

Java內(nèi)存模型為主內(nèi)存和工作內(nèi)存間的變量拷貝及同步寫回定義了具體的實(shí)現(xiàn)協(xié)議，該協(xié)議主要由8種操作來完成。

• lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占狀態(tài)。
• unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存變量，把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。
• read（讀取）：作用于主內(nèi)存變量，把一個(gè)變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動(dòng)作使用。
• load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把通過read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。
• use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時(shí)將會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作。
• assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的字節(jié)碼指令時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作。
• store（存儲(chǔ)）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write的操作使用。
• write（寫入）：作用于主內(nèi)存的變量，它把通過store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中。

線程、工作內(nèi)存、主內(nèi)存對(duì)應(yīng)這8種操作的交互關(guān)系圖如下：

根據(jù)交互圖，我們可以看出，read和load要順序執(zhí)行，如果把變量從工作內(nèi)存同步回主存需要先執(zhí)行store和write操作。除此之外，Java內(nèi)存模型對(duì)這8中操作還存在著其他的約束：

• 只允許read和load、store和write這兩對(duì)操作成對(duì)出現(xiàn)。
• 不允許線程丟棄它的最近的assign操作，即變量在工作內(nèi)存中改變之后，必須同步回寫到主內(nèi)存。
• 不允許線程把沒有經(jīng)過assign操作的變量，同步回寫到主內(nèi)存。
• 一個(gè)新的變量只能在主內(nèi)存中誕生，不允許在工作內(nèi)存中使用未經(jīng)初始化的變量，即對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行use、store操作之前，必須先執(zhí)行過load、assign操作。
• 一個(gè)變量在同一時(shí)刻只能被一條線程執(zhí)行l(wèi)ock操作，一旦lock成功，可以被同一線程重復(fù)lock多次，多次執(zhí)行l(wèi)ock之后，只有執(zhí)行相同次數(shù)的unlock操作，變量才會(huì)被解鎖。
• 對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，將會(huì)清空工作內(nèi)存中該變量的值，所以在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前，需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作對(duì)其進(jìn)行初始化。
• 對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把該變量同步回主內(nèi)存(執(zhí)行store、write操作)。
• 如果一個(gè)變量事先沒有被lock操作鎖定，那就不允許對(duì)它執(zhí)行unlock操作，也不允許unlock一個(gè)被其他線程lock的變量。

四：volatile關(guān)鍵字

volatile滿足兩層含義：可見性、有序性。舉例說明此關(guān)鍵字使用場景。

場景一：使用volatile修飾的變量做主線程和子線程之間的通信。

public class VolatileTest {//不使用volatile關(guān)鍵字,線程會(huì)一直死循環(huán) // private static Boolean stop = false;//使用volatile關(guān)鍵字private static volatile Boolean stop = false;public static void main(String args[]) throws InterruptedException {//新建立一個(gè)線程Thread workThread = new Thread() {@Overridepublic void run() {getThreadLog("線程開始執(zhí)行!");while (true) {if (stop) {break;}}getThreadLog("線程執(zhí)行結(jié)束了！");}};//啟動(dòng)該線程workThread.start();//休眠一會(huì)兒，讓子線程飛一會(huì)兒Thread.sleep(1000);//主線程將stop置為truestop = true;//打印日志getThreadLog("主線程執(zhí)行結(jié)束了");//使用join方法繼續(xù)執(zhí)行子線程workThread.join();}/*** 獲取線程名和時(shí)間** @return*/public static void getThreadLog(String logContent) {StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();stringBuffer.append("[");stringBuffer.append(Thread.currentThread().getName());stringBuffer.append(" ");stringBuffer.append(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS").format(new Date()));stringBuffer.append("]");stringBuffer.append(logContent);System.out.println(stringBuffer.toString());}

場景二：使用volatile修飾在單例模式中體現(xiàn)

public class Singleton {private volatile static Singleton uniqueInstance;private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {if (uniqueInstance == null) {synchronized (Singleton.class){if(uniqueInstance == null){//進(jìn)入?yún)^(qū)域后，再檢查一次，如果仍是null,才創(chuàng)建實(shí)例uniqueInstance = new Singleton();}}}return uniqueInstance;} }

注意： volatile不滿足原子性，因此使用此關(guān)鍵字進(jìn)行多線程修改共享變量會(huì)出問題。

五：內(nèi)存屏障

為什么會(huì)有內(nèi)存屏障？

每個(gè)CPU都會(huì)有自己的緩存(有的甚至有三級(jí)緩存)，緩存的目的就是為了提高性能，避免每次都要向內(nèi)存取，但是這樣的弊端也是很明顯：不能實(shí)時(shí)和內(nèi)存發(fā)生信息交換，分在不同CPU執(zhí)行的不同線程對(duì)同一變量的緩存值不同。

用volatile關(guān)鍵字修飾變量可以解決上述問題，volatile通過內(nèi)存屏障來實(shí)現(xiàn)，內(nèi)存屏障是硬件層的概念，不同的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存屏障的手段并不是一樣的，java通過屏蔽這些差異，統(tǒng)一由jvm來生成內(nèi)存屏障指令。

作用

確保指令重排序時(shí)不會(huì)把屏障后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障后面。

強(qiáng)制把寫緩沖區(qū)/高速緩存中的數(shù)據(jù)等寫回主內(nèi)存，讓緩存中相應(yīng)的數(shù)據(jù)失效；

Load Barrier 讀屏障
在指令前插入Load Barrier，可以讓高速緩存中的數(shù)據(jù)失效，強(qiáng)制重新從主內(nèi)存加載數(shù)據(jù)；

Store Barrier 寫屏障
利用緩存一致性機(jī)制強(qiáng)制將對(duì)緩存的修改操作立即寫入主存，讓其他線程可見，并且緩存一致性機(jī)制會(huì)阻止同時(shí)修改由兩個(gè)以上CPU緩存的內(nèi)存區(qū)域數(shù)據(jù)。

內(nèi)存屏障類型

為了保證可見性，Java編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會(huì)插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。

其中StoreLoad指令是現(xiàn)代多處理器都需要使用的，但是它的開銷也很昂貴。

volatile插入屏障策略

在每個(gè)volatile寫操作的前面插入StoreStore屏障；

在每個(gè)volatile寫操作的后面插入StoreLoad屏障；

在每個(gè)volatile讀操作的前面插入LoadLoad屏障；

在每個(gè)volatile讀操作的后面插入LoadStore屏障；

實(shí)現(xiàn)原理

volatile變量 寫匯編指令會(huì)多出#Lock前綴，Lock前綴在多核處理器下的作用：

將當(dāng)前處理器緩存行的數(shù)據(jù)寫會(huì)主存；

令其他CPU里緩存該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)失效；(總線鎖定？MESI緩存一致性協(xié)議)

參考：
JMM和底層實(shí)現(xiàn)原理（https://www.jianshu.com/p/8a58d8335270）

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的java多线程中volatile关键字的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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