java JMM 和 volatile关键字

JMM

JMM是指Java内存模型，不是Java内存布局，不是所谓的栈、堆、方法区。

每个Java线程都有自己的工作内存。操作数据，首先从主内存中读，得到一份拷贝，操作完毕后再写回到主内存。

JMM可能带来可见性、原子性和有序性问题。所谓可见性，就是某个线程对主内存内容的更改，应该立刻通知到其它线程。原子性是指一个操作是不可分割的，不能执行到一半，就不执行了。所谓有序性，就是指令是有序的，不会被重排。

volatile关键字

volatile关键字是Java提供的一种轻量级同步机制。它能够保证可见性和有序性，但是不能保证原子性。

可见性

class MyData{
    int number=0;
    //volatile int number=0;

    AtomicInteger atomicInteger=new AtomicInteger();
    public void setTo60(){
        this.number=60;
    }

    //此时number前面已经加了volatile，但是不保证原子性
    public void addPlusPlus(){
        number++;
    }

    public void addAtomic(){
        atomicInteger.getAndIncrement();
    }
}

//volatile可以保证可见性，及时通知其它线程主物理内存的值已被修改
private static void volatileVisibilityDemo() {
    System.out.println("可见性测试");
    MyData myData=new MyData();//资源类
    //启动一个线程操作共享数据
    new Thread(()->{
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t come in");
        try {
        	TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        	myData.setTo60();
        	System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t update number value: "+myData.number);
        }catch (InterruptedException e){
        	e.printStackTrace();
        }
    },"AAA").start();
    while (myData.number==0){
     //main线程持有共享数据的拷贝，一直为0
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t mission is over. main get number value: "+myData.number);
}

MyData类是资源类，一开始number变量没有用volatile修饰，所以程序运行的结果是：

可见性测试
AAA	 come in
AAA	 update number value: 60

虽然一个线程把number修改成了60，但是main线程持有的仍然是最开始的0，所以一直循环，程序不会结束。

如果对number添加了volatile修饰，运行结果是：

AAA	 come in
AAA	 update number value: 60
main	 mission is over. main get number value: 60

可见某个线程对number的修改，会立刻反映到主内存上。

原子性

volatile并不能保证操作的原子性。这是因为，比如一条number++的操作，会形成3条指令。

getfield        //读
iconst_1	//++常量1
iadd		//加操作
putfield	//写操作

假设有3个线程，分别执行number++，都先从主内存中拿到最开始的值，number=0，然后三个线程分别进行操作。假设线程0执行完毕，number=1，也立刻通知到了其它线程，但是此时线程1、2已经拿到了number=0，所以结果就是写覆盖，线程1、2将number变成1。

解决的方式就是：

1. 对addPlusPlus()方法加锁。
2. 使用java.util.concurrent.AtomicInteger类。

private static void atomicDemo() {
    System.out.println("原子性测试");
    MyData myData=new MyData();
    for (int i = 1; i <= 20; i++) {
        new Thread(()->{
            for (int j = 0; j <1000 ; j++) {
                myData.addPlusPlus();
                myData.addAtomic();
            }
        },String.valueOf(i)).start();
    }
    while (Thread.activeCount()>2){
        Thread.yield();
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t int type finally number value: "+myData.number);
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t AtomicInteger type finally number value: "+myData.atomicInteger);
}

结果：可见，由于volatile不能保证原子性，出现了线程重复写的问题，最终结果比20000小。而AtomicInteger可以保证原子性。

原子性测试
main	 int type finally number value: 17542
main	 AtomicInteger type finally number value: 20000

有序性

volatile可以保证有序性，也就是防止指令重排序。所谓指令重排序，就是出于优化考虑，CPU执行指令的顺序跟程序员自己编写的顺序不一致。就好比一份试卷，题号是老师规定的，是程序员规定的，但是考生（CPU）可以先做选择，也可以先做填空。

int x = 11; //语句1
int y = 12; //语句2
x = x + 5;  //语句3
y = x * x;  //语句4

以上例子，可能出现的执行顺序有1234、2134、1342，这三个都没有问题，最终结果都是x = 16，y=256。但是如果是4开头，就有问题了，y=0。这个时候就不需要指令重排序。

volatile底层是用CPU的内存屏障（Memory Barrier）指令来实现的，有两个作用，一个是保证特定操作的顺序性，二是保证变量的可见性。在指令之间插入一条Memory Barrier指令，告诉编译器和CPU，在Memory Barrier指令之间的指令不能被重排序。

哪些地方用到过volatile？

单例模式的安全问题

常见的DCL（Double Check Lock）模式虽然加了同步，但是在多线程下依然会有线程安全问题。

public class SingletonDemo {
    private static SingletonDemo singletonDemo=null;
    private SingletonDemo(){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 我是构造方法");
    }
    //DCL模式 Double Check Lock 双端检索机制：在加锁前后都进行判断
    public static SingletonDemo getInstance(){
        if (singletonDemo==null){
            synchronized (SingletonDemo.class){
                 if (singletonDemo==null){
                     singletonDemo=new SingletonDemo();
                 }
            }
        }
        return singletonDemo;
    }

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                SingletonDemo.getInstance();
            },String.valueOf(i+1)).start();
        }
    }
}

这个漏洞比较tricky，很难捕捉，但是是存在的。instance=new SingletonDemo();可以大致分为三步

memory = allocate();     //1.分配内存
instance(memory);	 //2.初始化对象
instance = memory;	 //3.设置引用地址

其中2、3没有数据依赖关系，可能发生重排。如果发生，此时内存已经分配，那么instance=memory不为null。如果此时线程挂起，instance(memory)还未执行，对象还未初始化。由于instance!=null，所以两次判断都跳过，最后返回的instance没有任何内容，还没初始化。

解决的方法就是对singletondemo对象添加上volatile关键字，禁止指令重排。