Java多线程之四内存模型及volatile

Java内存模型（JMM），注意和JVM的区别。

Java内存模型（JMM），不同于Java运行时数据区，JMM的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中读取数据这样的底层细节。JMM规定了所有的变量都存储在主内存中，但每个线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量，工作内存是线程之间独立的，线程之间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

当一个变量被定义为volatile之后，就可以保证此变量对所有线程的可见性，即当一个线程修改了此变量的值的时候，变量新的值对于其他线程来说是可以立即得知的。可以理解成：对volatile变量所有的写操作都能立刻被其他线程得知。但是这并不代表基于volatile变量的运算在并发下是安全的，因为volatile只能保证内存可见性，却没有保证对变量操作的原子性。

一个例程

/**
* 发起20个线程，每个线程对race变量进行10000次自增操作，如果代码能够正确并发，
* 则最终race的结果应为200000，但实际的运行结果却小于200000。
*
* @author Colin Wang
*
*/
public class VolatileTest {
public static volatile int race = 0;

public static void increase() {
race++;
}

private static final int THREADS_COUNT = 20;

public static void main(String[] args) {
Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];

for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
threads[i] = new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
increase();
}
}
});
threads[i].start();
}

while (Thread.activeCount() > 1)
Thread.yield();

System.out.println(race);
}
}

输出：

144002

这说明，volatile的使用要求是：
a.
变量的运算结构并不依赖于变量的当前值，或能够保证只有单一的线程修改变量的值；

b.变量不需要与其他状态变量共同参与不变约束。

利用内置锁保证同步

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class mutilThread{

public static volatile int race=0;

public static synchronized void increase(){
race++;
}

private static final int THREADS_COUNT=20;

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread[] threads=new Thread[THREADS_COUNT];

for(int i=0;i<THREADS_COUNT;i++){
threads[i]=new Thread(new Runnable(){
public void run(){
for(int i=0;i<10000;i++){
increase();
}
}
});
threads[i].start();
}
while(Thread.activeCount()>1)
Thread.yield();

System.out.println(race);
}
}

输出：

200000

volatile写的内存语义如下：

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存。

以上面示例程序VolatileExample为例，假设线程A首先执行writer()方法，随后线程B执行reader()方法，初始时两个线程的本地内存中的flag和a都是初始状态。下图是线程A执行volatile写后，共享变量的状态示意图：



如上图所示，线程A在写flag变量后，本地内存A中被线程A更新过的两个共享变量的值被刷新到主内存中。此时，本地内存A和主内存中的共享变量的值是一致的。

volatile读的内存语义如下：

当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

下面是线程B读同一个volatile变量后，共享变量的状态示意图：



如上图所示，在读flag变量后，本地内存B已经被置为无效。此时，线程B必须从主内存中读取共享变量。线程B的读取操作将导致本地内存B与主内存中的共享变量的值也变成一致的了。

如果我们把volatile写和volatile读这两个步骤综合起来看的话，在读线程B读一个volatile变量后，写线程A在写这个volatile变量之前所有可见的共享变量的值都将立即变得对读线程B可见。

下面对volatile写和volatile读的内存语义做个总结：

线程A写一个volatile变量，实质上是线程A向接下来将要读这个volatile变量的某个线程发出了（其对共享变量所在修改的）消息。

线程B读一个volatile变量，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在写这个volatile变量之前对共享变量所做修改的）消息。

线程A写一个volatile变量，随后线程B读这个volatile变量，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。