之前在學(xué)習(xí)volatile時(shí)，踩過(guò)一些坑。通過(guò)這些坑，學(xué)習(xí)了一些jvm的鎖優(yōu)化機(jī)制。后來(lái)在面試的過(guò)程中，被問(wèn)到的概率還挺高。于是，我整理了這篇踩坑記錄。

1. java多線程內(nèi)存模型

在聊踩坑記錄前，先要了解下java多線程內(nèi)存模型。大家可通過(guò)“并發(fā)編程網(wǎng)”的一篇文章去學(xué)習(xí)這塊知識(shí)，網(wǎng)址是http://ifeve.com/java-memory-model-1/。下面截取部分段落，先讓大家熟悉下。

在java中，所有實(shí)例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中，堆內(nèi)存在線程之間共享（本文使用“共享變量”這個(gè)術(shù)語(yǔ)代指實(shí)例域，靜態(tài)域和數(shù)組元素）。

局部變量（Local variables），方法定義參數(shù)（java語(yǔ)言規(guī)范稱(chēng)之為formal method parameters）和異常處理器參數(shù)（exception handler parameters）不會(huì)在線程之間共享，它們不會(huì)有內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，也不受內(nèi)存模型的影響。

Java線程之間的通信由Java內(nèi)存模型（本文簡(jiǎn)稱(chēng)為JMM）控制，JMM決定一個(gè)線程對(duì)共享變量的寫(xiě)入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見(jiàn)。

從抽象的角度來(lái)看，JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：線程之間的共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存（main memory）中，每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存（local memory），本地內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程以讀/寫(xiě)共享變量的副本。

本地內(nèi)存是JMM的一個(gè)抽象概念，并不真實(shí)存在。它涵蓋了緩存，寫(xiě)緩沖區(qū)，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。

Java內(nèi)存模型的抽象示意圖如下：

多線程內(nèi)存模型

從上圖來(lái)看，線程A與線程B之間如要通信的話，必須要經(jīng)歷下面2個(gè)步驟：

1、首先，線程A把本地內(nèi)存A中更新過(guò)的共享變量副本刷新到主內(nèi)存中去。

2、然后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A之前已更新過(guò)的共享變量。

上面內(nèi)容可以總結(jié)如下：

1、多線程在運(yùn)行時(shí)，會(huì)有主內(nèi)存和工作內(nèi)存的區(qū)分。 2、每個(gè)線程都有各自的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存會(huì)復(fù)制一份主內(nèi)存的變量副本。 3、線程其后的運(yùn)行，都是修改工作內(nèi)存中的變量副本。然后在某個(gè)時(shí)間，再同步到主存中。 4、這種工作機(jī)制，可能使得多個(gè)線程在同一個(gè)時(shí)刻獲取到的變量值不同。

2. volatile關(guān)鍵字的作用

2.1. volatile關(guān)鍵字語(yǔ)義

共享變量被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語(yǔ)義：

1）保證了不同線程對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí)的可見(jiàn)性，即一個(gè)線程修改了某個(gè)變量的值，這新值對(duì)其他線程來(lái)說(shuō)是立即可見(jiàn)的。

2）禁止進(jìn)行指令重排序。

2.2. volatile關(guān)鍵字如何保證線程間的可見(jiàn)性？

1、使用volatile關(guān)鍵字，線程會(huì)將修改的值立即同步至主內(nèi)存中

2、使用volatile關(guān)鍵字，線程會(huì)強(qiáng)制從主存中讀取值。

3、所以，這就保證了某個(gè)線程修改的值，會(huì)立即被其余線程獲得。

2.3. volatile關(guān)鍵字不保證原子性

volatile并不能代替synchronized關(guān)鍵字，因?yàn)樗荒鼙ＷC原子性。

下面給大家舉個(gè)例子：

1、多個(gè)線程對(duì)變量i進(jìn)行自增操作。 2、A線程從主存中獲得變量i的值，為6. 3、在A獲取主存的值后，B線程將運(yùn)算結(jié)果7同步至主存。 4、A線程對(duì)變量i進(jìn)行i++操作，然后同步至主存。主存結(jié)果依然為7。這時(shí)i++明顯小于預(yù)期結(jié)果。

造成上述原因，就是因?yàn)関olatile關(guān)鍵字不能保證自增操作的原子性。

3. 踩坑之synchronized的可見(jiàn)性

看完java多線程模型和volatile關(guān)鍵字的作用，我們正式來(lái)聊踩坑記錄。

public class VolatileTest implements Runnable {public static String name = "dog";@Overridepublic void run() {while (true) {System.out.println(name);}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {VolatileTest volatileTest = new VolatileTest();Thread thread = new Thread(volatileTest);thread.start();// 讓主線程睡一段時(shí)間，保證子線程的開(kāi)啟。Thread.sleep(5000);VolatileTest.name = "wangcai";} }

上述的name字段，我并沒(méi)有加volatile關(guān)鍵字。我還調(diào)用了Thread.sleep(5000);,以便讓子線程先開(kāi)啟。

按照多線程模型的描述，子線程里的name字段應(yīng)該是拷貝的變量副本“dog”。所以我在主線程修改name值為“wangcai”，并不對(duì)子線程可見(jiàn)。所以，按理來(lái)說(shuō)，應(yīng)無(wú)限循環(huán)打印“dog”。但事實(shí)上，打印結(jié)果如下：

dog dog dog wangcai wangcai wangcai

這和上面的原理不符啊，一度讓我十分困惑。后來(lái)我翻了下System.out.println的源碼，發(fā)現(xiàn)其源碼如下：

public void println(String x) {synchronized (this) {print(x);newLine();} }

看到源碼，答案也就呼之欲出了。因?yàn)閜rintln方法添加了synchronized關(guān)鍵字。synchronized不僅能保證原子性，還能保證代碼塊里變量的可見(jiàn)性。所以，每次打印的值都是從主存中獲取的，自然也就變?yōu)榱恕皐angcai”。

4. 踩坑之我以為我懂了

發(fā)現(xiàn)上述原因后，我決定不再用System.out.println打印變量，這樣就不會(huì)觸發(fā)從主存中讀取數(shù)據(jù)。然而我還是太天真，事情的發(fā)展就是這么曲折。

我修改的代碼如下：

public class VolatileTest implements Runnable {public static String name = "dog";@Overridepublic void run() {for (; ; ) {if ("wangcai".equals(name)) {break;}System.out.println("我不是旺財(cái)");}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {VolatileTest volatileTest = new VolatileTest();Thread thread = new Thread(volatileTest);thread.start();Thread.sleep(5000);VolatileTest.name = "wangcai";} }

這次我仍然沒(méi)有添加volatile關(guān)鍵字，更沒(méi)有打印name變量。按理說(shuō)，這次應(yīng)該無(wú)限循環(huán)打印“我不是旺財(cái)”了吧。但是線程跳出循環(huán)，并停止了。這時(shí)，我已經(jīng)開(kāi)始對(duì)多線程模型產(chǎn)生動(dòng)搖了。經(jīng)過(guò)探索，我又知道了“鎖粗化”的概念。

5. 鎖粗化

下面，我們看看《深入理解java虛擬機(jī)》對(duì)鎖粗化的描述：

原則上,我們?cè)诰帉?xiě)代碼的時(shí)候，總是推薦將同步塊的作用范圍限制得盡量小-只在共享數(shù)據(jù)的實(shí)際作用域中才進(jìn)行同步，這樣是為了使得需要同步的操作數(shù)量盡可能變小，如果存在鎖競(jìng)爭(zhēng)，那等待鎖的線程也能盡快拿到鎖。

大部分情況下，上面的原則都是正確的，但是如果一系列的連續(xù)操作都對(duì)同一個(gè)對(duì)象反復(fù)加鎖和解鎖，甚至加鎖操作是出現(xiàn)在循環(huán)體中的，那即使沒(méi)有線程競(jìng)爭(zhēng)，頻繁地進(jìn)行互斥同步操作也會(huì)導(dǎo)致不必要的性能損耗。

如果虛擬機(jī)探測(cè)到有這樣零碎的操作都對(duì)統(tǒng)一對(duì)象加鎖，將會(huì)把加鎖同步的范圍擴(kuò)展(粗化)到整個(gè)操作序列的外部。

將原代碼生成的class文件進(jìn)行反編譯，得到如下代碼：

public void run() {while(!"wangcai".equals(name)) {System.out.println("我不是旺財(cái)");} }

于是，while循環(huán)里的System.out.println("我不是旺財(cái)");具有同步代碼塊，每次都對(duì)PrintStream加鎖。于是，經(jīng)過(guò)虛擬機(jī)的鎖粗化，鎖擴(kuò)展到了外部，可見(jiàn)性也擴(kuò)展到了外部。所以子線程能看見(jiàn)主線程對(duì)name的改變，所以會(huì)讓線程跳出，并停止。

6. 守得云開(kāi)見(jiàn)月明

public class Test implements Runnable {private static String name = "dog";@Overridepublic void run() {while (true) {if ("wangcai".equals(name)) {System.out.println(name);break;}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Test test = new Test();Thread thread = new Thread(test);thread.start();Thread.sleep(5000);Test.name = "wangcai";} }

最終，將代碼改成如上的樣式。不加volatile,主線程對(duì)name的改變，子線程不可見(jiàn)。所以線程會(huì)一直循環(huán)，不退出。

加了volatile，主線程的對(duì)name的改變，子線程是可見(jiàn)的。所以會(huì)打出“wangcai”，并退出。

看到這里，如果你有某些疑問(wèn)，我會(huì)覺(jué)得你好好研讀上面的內(nèi)容了。在while循環(huán)快中，我也加入了System.out.println函數(shù)，為什么沒(méi)有進(jìn)行鎖粗化?這個(gè)依然是由反編譯后的代碼來(lái)決定的：

public void run() {while(!"wangcai".equals(name)) {;}System.out.println("我是旺財(cái)"); }

通過(guò)反編譯得到的源碼，我們發(fā)現(xiàn)虛擬機(jī)對(duì)第二個(gè)代碼進(jìn)行了優(yōu)化，是將System.out.println("我是旺財(cái)");放在循環(huán)外的。而第一個(gè)優(yōu)化后的代碼，是將System.out.println("我不是旺財(cái)");放在循環(huán)里的。

所以，第二個(gè)不會(huì)進(jìn)行鎖粗化，而第一個(gè)會(huì)進(jìn)行鎖粗化。

7. 總結(jié)

上面就是我在學(xué)習(xí)volatile關(guān)鍵字時(shí)，遇到的各種坑。但是通過(guò)踩坑，我不僅更加深入了解了volatile關(guān)鍵字，我也學(xué)會(huì)了虛擬機(jī)的鎖粗化機(jī)制。雖然我一開(kāi)始是茫然的，但是我沒(méi)有放棄思考。每一次的難題，都會(huì)讓我彌補(bǔ)知識(shí)上的短板。走出自己的知識(shí)舒適區(qū)，你才能收獲成長(zhǎng)。

通過(guò)實(shí)戰(zhàn)，你會(huì)更為扎實(shí)地掌握所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。面試的時(shí)候，通過(guò)代碼向面試官闡述自己的思考過(guò)程，更能凸顯出你將理論融入實(shí)踐的能力，而不只是“紙上談兵”。

后面有機(jī)會(huì)，我還會(huì)和大家分享volatile關(guān)于“防止指令重排序”的特性以及其他鎖優(yōu)化機(jī)制。

還是那句話,愿我們共同進(jìn)步！

作者：永不言Qi QQ: 591232672 e-mail：stephenqi@qq.com 版權(quán)聲明：轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留此鏈接，不得用于商業(yè)用途。 雖然我不是最優(yōu)秀的程序員，但我還是想盡自己最大的努力，去分享一些學(xué)習(xí)心得。 如有錯(cuò)誤，歡迎指正。若有幸能博得您的喜愛(ài)，歡迎關(guān)注及點(diǎn)贊哦。 愿我們共同進(jìn)步!

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的通过踩坑带你读透虚拟机的“锁粗化”的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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