前言
1、并發(fā)編程三要素
????在并發(fā)編程的世界里，下面三要素你必須清楚：
- 可見(jiàn)性：可見(jiàn)性指多個(gè)線程操作一個(gè)共享變量時(shí)，其中一個(gè)線程對(duì)變量進(jìn)行修改后，其他的線程可以立即看到修改的結(jié)果。
- 原子性：原子性指的是一個(gè)或多個(gè)操作，要么全部執(zhí)行，并且執(zhí)行過(guò)程中不被其它操作打斷，要么就全部不執(zhí)行。
- 有序性：程序的執(zhí)行順序按照代碼的先后順序來(lái)執(zhí)行。
2、并發(fā)編程的三大問(wèn)題
????我們知道CPU、內(nèi)存、IO三者的速度存在很大的差異，為了平衡三者之間的速度差異，做了如下改變：
- CPU 增加了緩存，以均衡與內(nèi)存的速度差異；
- 操作系統(tǒng)增加了進(jìn)程、線程，以分時(shí)復(fù)用 CPU，進(jìn)而均衡 CPU 與 I/O 設(shè)備的速度差異；
- 編譯程序優(yōu)化指令執(zhí)行次序，使得緩存能夠得到更加合理地利用。
????為了使處理器內(nèi)部運(yùn)算單元盡可能被充分利用，處理器還會(huì)對(duì)輸入的代碼進(jìn)行亂序執(zhí)行(Out-Of-Order Execution)優(yōu)化，處理器會(huì)在亂序執(zhí)行之后的結(jié)果進(jìn)行重組，保證結(jié)果的正確性，也就是保證結(jié)果與順序執(zhí)行的結(jié)果一致。但是在真正的執(zhí)行過(guò)程中，代碼執(zhí)行的順序并不一定按照代碼的書(shū)寫(xiě)順序來(lái)執(zhí)行，可能和代碼的書(shū)寫(xiě)順序不同。
????但這些改變可能導(dǎo)致詭異性的bug：
- 緩存導(dǎo)致可見(jiàn)性問(wèn)題；
- 編譯優(yōu)化帶來(lái)的有序性問(wèn)題；
????那如何解決上面的2個(gè)問(wèn)題呢？那就是java內(nèi)存模型。
ps：還有一個(gè)問(wèn)題是：線程切換帶來(lái)的原子性問(wèn)題（后面會(huì)講到）
3、內(nèi)存模型概念
????Java 內(nèi)存模型規(guī)范了JVM 如何提供按需禁用緩存和編譯優(yōu)化的方法。具體來(lái)說(shuō)，這些方法包括 volatile、synchronized 和 final 三個(gè)關(guān)鍵字，以及六項(xiàng) Happens-Before 規(guī)則。本文只講volatile。
????關(guān)于Java內(nèi)存模型網(wǎng)上講的概念太多了 ，感覺(jué)文縐縐的，反正我是看的比較煩，看完也記不住。
ps：網(wǎng)上很多內(nèi)容都來(lái)自于《深入理解Java虛擬機(jī)》，這本書(shū)也建議你看看。
????我這里就簡(jiǎn)單提取下幾個(gè)重要的概念，然后整整實(shí)例。
????Java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序中變量的訪問(wèn)規(guī)則：即在虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到主內(nèi)存或者將變量從主內(nèi)存取出這樣的底層細(xì)節(jié)。
- 主內(nèi)存：java虛擬機(jī)規(guī)定所有的變量(不是程序中的變量)都必須在主內(nèi)存中產(chǎn)生，為了方便理解，可以認(rèn)為是堆區(qū)。
- 工作內(nèi)存：java虛擬機(jī)中每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存，該內(nèi)存是線程私有的為了方便理解，可以認(rèn)為是虛擬機(jī)棧。線程的工作內(nèi)存保存了線程需要的變量在主內(nèi)存中的副本。虛擬機(jī)規(guī)定：線程對(duì)主內(nèi)存變量的修改必須在線程的工作內(nèi)存中進(jìn)行，不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量。不同的線程之間也不能相互訪問(wèn)對(duì)方的工作內(nèi)存。如果線程之間需要傳遞變量的值，必須通過(guò)主內(nèi)存來(lái)作為中介進(jìn)行傳遞。
4、volatile解決緩存帶來(lái)的可見(jiàn)性問(wèn)題
先看一段程序：
public class TestAddCount {
private long count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
TestAddCount testAddCount = new TestAddCount();
// 創(chuàng)建2個(gè)子線程，并執(zhí)行add操作
Thread t1 = new Thread(() -> {
testAddCount.add(10);
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
testAddCount.add(10);
});
// 啟動(dòng)2個(gè)子線程
t1.start();
t2.start();
// main線程等待2個(gè)子線程執(zhí)行完
t1.join();
System.out.println("線程t1結(jié)束時(shí):" + testAddCount.count);
t2.join();
// 打印執(zhí)行后的結(jié)果count
System.out.println("線程t2結(jié)束時(shí):" + testAddCount.count);
}
private void add(int n) {
for (int i = 0; i < n; i++) {
try {
// 【注意：2個(gè)子線程并不是同時(shí)啟動(dòng)的，是有先后順序的，為了盡可能保證2個(gè)線程啟動(dòng)時(shí)count=0，所以在add方法中讓它睡眠0.1秒】
// 當(dāng)然，為了讓參數(shù)n小的情況下效果更加明顯，add方法中讓它睡眠了0.1秒
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
this.count++;
}
}
}
????我們想要的運(yùn)行后count的最終結(jié)果是不是20？但是實(shí)際結(jié)果總是小于等于20的。為什么呢？
????在單核時(shí)代，上面的程序運(yùn)行結(jié)果總是20。（不要告訴我你的電腦是單核的哦）
????在多核時(shí)代就不一樣了。count變量是屬于對(duì)象TestAddCount的實(shí)例變量，存儲(chǔ)于堆區(qū)，是線程共享的。
????CPU為了平衡和內(nèi)存之間的速度差異，增加了緩存技術(shù)。
????如下圖：線程在讀取變量count的時(shí)候，會(huì)先將count的值讀入線程私有的緩存中，待處理結(jié)束后，再將緩存中的值寫(xiě)入內(nèi)存中。比如線程t1和t2剛開(kāi)始讀取到的count值都是0，然后分別進(jìn)行加1操作。假設(shè)t1先將結(jié)果1回寫(xiě)到內(nèi)存，然后t2再將結(jié)果1回寫(xiě)到內(nèi)存，進(jìn)行2次加1操作后，結(jié)果還是1。所以上面的例子得到的最終結(jié)果是小于等于20的。這就是緩存導(dǎo)致的可見(jiàn)性問(wèn)題。
如何解決呢？
????那就是按需禁用緩存，使用關(guān)鍵字volatile來(lái)修飾變量count即可。volatile修飾的變量，能保證新值能立即同步到主內(nèi)存，以及每次使用前立即從主內(nèi)存刷新。
private volatile long count = 0;
認(rèn)真的朋友可能發(fā)現(xiàn) ，加了volatile還是不行哦。因?yàn)檫€有一個(gè)問(wèn)題，就是原子性問(wèn)題。
這也便涉及到一道經(jīng)典的面試題：i++是原子性的嘛？
i++并不是一個(gè)原子性的操作。i++做了三次指令操作：
- 第一次，從內(nèi)存中讀取i變量的值到CPU的寄存器；
- 第二次，在寄存器中的i自增1
- 第三次，將寄存器中的值寫(xiě)入內(nèi)存。
????操作系統(tǒng)的任務(wù)切換是在CPU指令級(jí)別的，而不是高級(jí)語(yǔ)言里面的一條語(yǔ)句。如下圖：對(duì)于++i，在多核機(jī)器上，線程t1、t2在讀取內(nèi)存時(shí)也可能同時(shí)讀到同一個(gè)值，然后可能發(fā)生線程切換，這樣就會(huì)同一個(gè)值自增兩次，而實(shí)際上只自增了一次，所以++i也不是原子操作。這也就是線程切換帶來(lái)的原子性問(wèn)題。
????如何解決原子性的問(wèn)題，你可能想到了用synchronized來(lái)加鎖，保證其是原子性操作，synchronized的內(nèi)容比較多，回頭單獨(dú)整理一篇吧！?。?/p>
5、volatile解決編譯優(yōu)化帶來(lái)的有序性問(wèn)題
????上面說(shuō)了volatile還能解決編譯優(yōu)化帶來(lái)的有序性問(wèn)題，那么我們?cè)賮?lái)看下一個(gè)經(jīng)典的雙重校驗(yàn)來(lái)創(chuàng)建單例模式的例子：
public class Singleton {
static Singleton instance;
static Singleton getInstance(){
if (instance == null) {
synchronized(Singleton.class) {
if (instance == null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
看下程序運(yùn)行流程：
- 假設(shè)兩個(gè)線程 t1、t2 同時(shí)調(diào)用 getInstance()，同時(shí)發(fā)現(xiàn) instance == null ;
- 于是同時(shí)對(duì) Singleton.class 加鎖，此時(shí) JVM 保證只有一個(gè)線程能夠加鎖成功（假設(shè)是線程 t1），另外一個(gè)線程則會(huì)處于等待狀態(tài)（假設(shè)是線程 t2）；
- 線程 t1 會(huì)創(chuàng)建一個(gè) Singleton 實(shí)例，之后釋放鎖，鎖釋放后，線程 t2 被喚醒，線程t2 再次嘗試加鎖，此時(shí)是可以加鎖成功的;
- t2 加鎖成功后，線程 t2 再次檢查 instance == null 是否成立，發(fā)現(xiàn) instance!=null，不會(huì)再去實(shí)例化instance，直接返回線程t1實(shí)例化的instance。
????是不是覺(jué)得上面的程序沒(méi)有任何bug？但這個(gè) getInstance() 方法并不完美。問(wèn)題出在new操作上，我們以為的new操作是：
- 指令1：分配一塊內(nèi)存 X；
- 指令2：在內(nèi)存 X 上初始化 Singleton 對(duì)象；
- 指令3：然后 X 的地址賦值給 instance 變量。
????但是實(shí)際上優(yōu)化后的new卻是這樣的：
- 指令1：分配一塊內(nèi)存 X；
- 指令2：將 X 的地址賦值給 instance 變量；
- 指令3：最后在內(nèi)存 X 上初始化 Singleton 對(duì)象。
????優(yōu)化后會(huì)導(dǎo)致什么問(wèn)題呢？
????依然假設(shè)線程 t1 先去執(zhí)行 getInstance() 方法（和線程t2并不是同時(shí)去執(zhí)行），直接獲取到鎖，并執(zhí)行實(shí)例化new操作，當(dāng)執(zhí)行完指令 2 時(shí)恰好發(fā)生了線程切換，切換到了線程 t2 上；
如果此時(shí)線程 t2 也執(zhí)行 getInstance() 方法，那么線程 t2 在執(zhí)行第一個(gè)判斷時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn) instance != null ，所以直接返回 instance，而此時(shí)的 instance 是沒(méi)有初始化過(guò)的，如果我們這個(gè)時(shí)候訪問(wèn) instance 的成員變量就可能觸發(fā)空指針異常。這就是編譯優(yōu)化帶來(lái)的有序性問(wèn)題。
這個(gè)時(shí)候你就可以使用volatile來(lái)修飾變量instance，按需禁用編譯優(yōu)化。上面的有序性也就解決了哈。
static volatile Singleton instance;
總結(jié)
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