• 0. 前提

• 1. 基礎(chǔ)

• 2. 重排序

• 3. 順序一致性

• 4. Volatile

• 5. 鎖

• 6. final

• 7. 總結(jié)

---

4. Volatile

4.1 VOLATILE 特性

舉個(gè)例子：

public?class?VolatileTest?{volatile?long?a?=?1L;?????????//?使用?volatile?聲明?64?位的?long?型public?void?set(long?l)?{a?=?l;??????????????????//單個(gè)?volatile?變量的寫}public?long?get()?{return?a;???????????????//單個(gè)?volatile?變量的讀}public?void?getAndIncreament()?{a++;????????????????????//?復(fù)合（多個(gè)）?volatile?變量的讀?/寫} }

假設(shè)有多個(gè)線程分別調(diào)用上面程序的三個(gè)方法，這個(gè)程序在語義上和下面程序等價(jià)：

public?class?VolatileTest?{long?a?=?1L;?????????????????//?64?位的?long?型普通變量public?synchronized?void?set(long?l)?{????//對(duì)單個(gè)普通變量的寫用同一個(gè)鎖同步a?=?l;????????????????}public?synchronized?long?get()?{????????//對(duì)單個(gè)普通變量的讀用同一個(gè)鎖同步return?a;???????????}public?void?getAndIncreament()?{????????//普通方法調(diào)用long?temp?=?get();??????????????????//調(diào)用已同步的讀方法temp?+=?1L;????????????????????????????//普通寫操作?????????????????????????set(temp);??????????????????????????//調(diào)用已同步的寫方法} }

如上面示例程序所示，對(duì)一個(gè) volatile 變量的單個(gè)讀/寫操作，與對(duì)一個(gè)普通變量的讀/寫操作使用同一個(gè)鎖來同步，它們之間的執(zhí)行效果相同。

鎖的 happens-before 規(guī)則保證釋放鎖和獲取鎖的兩個(gè)線程之間的內(nèi)存可見性，這意味著對(duì)一個(gè) volatile 變量的讀，總是能看到（任意線程）對(duì)這個(gè) volatile 變量最后的寫入。

鎖的語義決定了臨界區(qū)代碼的執(zhí)行具有原子性。這意味著即使是 64 位的 long 型和 double 型變量，只要它是 volatile變量，對(duì)該變量的讀寫就將具有原子性。如果是多個(gè) volatile 操作或類似于 volatile++ 這種復(fù)合操作，這些操作整體上不具有原子性。

簡而言之，volatile 變量自身具有下列特性：

• 可見性。對(duì)一個(gè) volatile 變量的讀，總是能看到（任意線程）對(duì)這個(gè) volatile 變量最后的寫入。

• 原子性：對(duì)任意單個(gè) volatile 變量的讀/寫具有原子性，但類似于 volatile++ 這種復(fù)合操作不具有原子性。

4.2 VOLATILE 寫-讀的內(nèi)存定義

• 當(dāng)寫一個(gè) volatile 變量時(shí)，JMM 會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存。

• 當(dāng)讀一個(gè) volatile 變量時(shí)，JMM 會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效。線程接下來將從主內(nèi)存中讀取共享變量。

假設(shè)上面的程序 flag 變量用 volatile 修飾

volatile1

4.3 VOLATILE 內(nèi)存語義的實(shí)現(xiàn)

下面是 JMM 針對(duì)編譯器制定的 volatile 重排序規(guī)則表：

重排序規(guī)則表

為了實(shí)現(xiàn) volatile 的內(nèi)存語義，編譯器在生成字節(jié)碼時(shí)，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來禁止特定類型的處理器重排序。

下面是基于保守策略的 JMM 內(nèi)存屏障插入策略：

• 在每個(gè) volatile 寫操作的前面插入一個(gè) StoreStore 屏障。

• 在每個(gè) volatile 寫操作的后面插入一個(gè) StoreLoad 屏障。

• 在每個(gè) volatile 讀操作的后面插入一個(gè) LoadLoad 屏障。

• 在每個(gè) volatile 讀操作的后面插入一個(gè) LoadStore 屏障。

下面是保守策略下，volatile 寫操作 插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列示意圖：

volatile3

下面是在保守策略下，volatile 讀操作 插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列示意圖：

volatile4

上述 volatile 寫操作和 volatile 讀操作的內(nèi)存屏障插入策略非常保守。在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，只要不改變 volatile 寫-讀的內(nèi)存語義，編譯器可以根據(jù)具體情況省略不必要的屏障。

5.1 鎖

5.2 鎖釋放和獲取的內(nèi)存語義

當(dāng)線程釋放鎖時(shí)，JMM 會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存中。

當(dāng)線程獲取鎖時(shí)，JMM 會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效。從而使得被監(jiān)視器保護(hù)的臨界區(qū)代碼必須要從主內(nèi)存中去讀取共享變量。

5.3 鎖內(nèi)存語義的實(shí)現(xiàn)

借助 ReentrantLock 來講解，PS： 后面專門講下這塊（ReentrantLock、Synchronized、公平鎖、非公平鎖、AQS等），可以看看大明哥的博客：http://cmsblogs.com/?p=2210

5.4 CONCURRENT 包的實(shí)現(xiàn)

如果我們仔細(xì)分析 concurrent 包的源代碼實(shí)現(xiàn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)通用化的實(shí)現(xiàn)模式：

首先，聲明共享變量為 volatile；

然后，使用 CAS 的原子條件更新來實(shí)現(xiàn)線程之間的同步；

同時(shí)，配合以 volatile 的讀/寫和 CAS 所具有的 volatile 讀和寫的內(nèi)存語義來實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。

AQS，非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原子變量類（java.util.concurrent.atomic 包中的類），這些 concurrent 包中的基礎(chǔ)類都是使用這種模式來實(shí)現(xiàn)的，而 concurrent 包中的高層類又是依賴于這些基礎(chǔ)類來實(shí)現(xiàn)的。從整體來看，concurrent 包的實(shí)現(xiàn)示意圖如下：

concurrent 包

6. final

對(duì)于 final 域，編譯器和處理器要遵守兩個(gè)重排序規(guī)則：

在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)對(duì)一個(gè) final 域的寫入，與隨后把這個(gè)被構(gòu)造對(duì)象的引用賦值給一個(gè)引用變量，這兩個(gè)操作之間不能重排序。

初次讀一個(gè)包含 final 域的對(duì)象的引用，與隨后初次讀這個(gè) final 域，這兩個(gè)操作之間不能重排序。

6.1 寫 FINAL 域的重排序規(guī)則

寫 final 域的重排序規(guī)則禁止把 final 域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。這個(gè)規(guī)則的實(shí)現(xiàn)包含下面2個(gè)方面：

• JMM 禁止編譯器把 final 域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。

• 編譯器會(huì)在 final 域的寫之后，構(gòu)造函數(shù) return 之前，插入一個(gè) StoreStore 屏障。這個(gè)屏障禁止處理器把 final 域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。

6.2 讀 FINAL 域的重排序規(guī)則

在一個(gè)線程中，初次讀對(duì)象引用與初次讀該對(duì)象包含的 final 域，JMM 禁止處理器重排序這兩個(gè)操作（注意，這個(gè)規(guī)則僅僅針對(duì)處理器）。編譯器會(huì)在讀 final 域操作的前面插入一個(gè) LoadLoad 屏障。

6.3 FINAL 域是引用類型

對(duì)于引用類型，寫 final 域的重排序規(guī)則對(duì)編譯器和處理器增加了如下約束：

在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)對(duì)一個(gè) final 引用的對(duì)象的成員域的寫入，與隨后在構(gòu)造函數(shù)外把這個(gè)被構(gòu)造對(duì)象的引用賦值給一個(gè)引用變量，這兩個(gè)操作之間不能重排序。

7. 總結(jié)

7.1 JMM，處理器內(nèi)存模型與順序一致性內(nèi)存模型之間的關(guān)系

JMM 是一個(gè)語言級(jí)的內(nèi)存模型，處理器內(nèi)存模型是硬件級(jí)的內(nèi)存模型，順序一致性內(nèi)存模型是一個(gè)理論參考模型。下面是語言內(nèi)存模型，處理器內(nèi)存模型和順序一致性內(nèi)存模型的強(qiáng)弱對(duì)比示意圖：

內(nèi)存模型比較

7.2 JMM 的設(shè)計(jì)示意圖

jmm

7.3 JMM 的內(nèi)存可見性保證

Java 程序的內(nèi)存可見性保證按程序類型可以分為下列三類：

1.單線程程序。單線程程序不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題。編譯器，runtime 和處理器會(huì)共同確保單線程程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果相同。

2.正確同步的多線程程序。正確同步的多線程程序的執(zhí)行將具有順序一致性（程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果相同）。這是 JMM 關(guān)注的重點(diǎn)，JMM通過限制編譯器和處理器的重排序來為程序員提供內(nèi)存可見性保證。

3.未同步/未正確同步的多線程程序。JMM 為它們提供了最小安全性保障：線程執(zhí)行時(shí)讀取到的值，要么是之前某個(gè)線程寫入的值，要么是默認(rèn)值（0，null，false）。

下圖展示了這三類程序在 JMM 中與在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果的異同：

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《深入理解 Java 内存模型》读书笔记（下）（干货，万字长文）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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