细说java多线程之内存可见性

共享变量在线程间的可见性

可见性：一个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看到。

共享变量：如果一个变量在多个线程的工作内存中都存在副本，那么这个变量就是几个线程的共享变量。

Java内存模型（JMM）

**java内存模型（Java Memory Model）**描述了Java程序中各种变量（线程共享变量）的访问规则，以及在JVM中将变量存储到内存和从内存中读取变量这样的底层细节。

所有的变量都存储在主内存中

每个线程都有自己独立的工作内存，里面保存该线程使用到的变量的副本（主内存中该变量的一份拷贝）

两条规定：

线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，不能直接从主内存中读写

不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来完成。

共享变量可见性实现的原理

线程1对共享变量的修改要想被线程2及时看到，必须要经过如下2个步骤：

把工作内存1中更新过的共享变量刷新到主内存中

将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中

synchronized实现可见性

synchronized 能够实现：

原子性（同步）

可见性

原子性和可见性
JMM关于synchronized的两条规定:

线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中

线程加锁前，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值（注意：加锁和解锁需要是同一把锁）

线程解锁前对共享变量的修改在下次加锁时对其他线程可见

线程执行互斥代码的过程:

获得互斥锁

清空工作内存

从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存

执行代码

将更改后的共享变量的值刷新到主内存

释放互斥锁

相关知识点:

指令重排序

重排序:代码书写的顺序与实际执行的顺序不同，指令重排序时编译器或处理器为了提高程序性能能做的优化。

编译器优化的重排序（编译器优化）

指令集并行重排序（处理器优化）

内存系统的重排序（处理器优化）

as-if-serial语义

**as-if-serial：**无论如何重排序，程序执行的结果应该与代码顺序执行的结果一致（Java编译器、运行时和处理器都会保证Java在单线程下遵守as-if-serial语义）



代码分析:

public class SynchronizedDemo {
//共享变量
private boolean ready = false;
private int result = 0;
private int number = 1;
//写操作
public void write(){
ready = true;	      				 //1.1
number = 2;		                    //1.2
}
//读操作
public void read(){
if(ready){						     //2.1
result = number*3;	 	         //2.2
}
System.out.println("result的值为：" + result);
}

//内部线程类
private class ReadWriteThread extends Thread {
//根据构造方法中传入的flag参数，确定线程执行读操作还是写操作
private boolean flag;
public ReadWriteThread(boolean flag){
this.flag = flag;
}
@Override
public void run() {
if(flag){
//构造方法中传入true，执行写操作
write();
}else{
//构造方法中传入false，执行读操作
read();
}
}
}

public static void main(String[] args)  {
SynchronizedDemo synDemo = new SynchronizedDemo();
//启动线程执行写操作
synDemo .new ReadWriteThread(true).start();
//启动线程执行读操作
synDemo.new ReadWriteThread(false).start();
}
}

可见性分析:

//共享变量
private boolean ready = false;
private int result = 0;
private int number = 1;
//写操作
public void write(){
ready = true;	      				 //1.1
number = 2;		                    //1.2
}
//读操作
public void read(){
if(ready){						     //2.1
result = number*3;	 	         //2.2
}
System.out.println("result的值为：" + result);
}

其中一种可能执行顺序:
1.2 --> 2.1 --> 2.2 --> 1.1
result = 0;

**可见性分析:**导致共享变量在线程间不可见的原因:

线程的交叉执行

重排序结合线程交叉执行

共享变量更新后的值没有在工作内存与主内存间及时更新

synchronized解决方案:
synchronized实际是实现的一种锁的机制,在一段操作和内存进行加锁，同一时刻只有一个线程才能进入锁内，锁内无论怎么重排序执行结果都是一样的。

synchronized同时可以保证可见性

volatile实现可见性

volatile关键字:
能够保证volatile变量的可见性
不能保证volatile变量复合操作的原子性
volatile如何实现内存可见性:
深入来说:通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现的。

对volatile变量执行写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令

对volatile变量执行读操作时，会在读操作前加入一条load屏障指令

通俗地讲:volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中重读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫线程将最近的值刷新到主内存。这样任何时刻，不同线程总能看到该变量的最新值。
volatile不能保证volatile变量复合操作的原子性:

private int number = 0;
number ++; 不是原子操作
读取number的值
将number的值加1
写入最新的number的值

通过加入synchronized，变为原子操作.
synchronized(){
number ++;
}
private volatile int number = 0;
变为volatile变量，无法保证原子性。
实例代码VolatileDemo:

public class VolatileDemo {

private Lock lock = new ReentrantLock();
private volatile int number = 0;

public int getNumber(){
return this.number;
}

public void increase(){
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
this.number++;
}

/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
final VolatileDemo volDemo = new VolatileDemo();
for(int i = 0 ; i < 500 ; i++){
new Thread(new Runnable() {

@Override
public void run() {
volDemo.increase();
}
}).start();
}

//如果还有子线程在运行，主线程就让出CPU资源，
//直到所有的子线程都运行完了，主线程再继续往下执行
while(Thread.activeCount() > 1){
Thread.yield();
}

System.out.println("number : " + volDemo.getNumber());
}

}

运行结果：
492，486,492,492,495
解决方案:
保证number自增操作的原子性:

使用synchronized关键字

使用ReentrantLock

使用AtomicInteger
后边两个都在java.util.concurrent包下。

try {
this.number++;
} finally {
lock.unlock();
}

volatile使用注意事项

要在多线程中安全的使用volatile变量，必须同时满足:

对变量的写入操作不依赖其当前值
不满足:number++、count = count*5 等
满足 : boolean 变量、记录温度变化的变量等

该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
不满足:不变式 low < up

synchronized和volatile比较

volatile 不需要加锁，比synchronized更轻量级，不会阻塞线程。

从内存可见性角度，volatile读相当于加锁，volatile写相当于解锁

synchronized既能保证可见性，又能保证原子性，而volatile只能保证可见性，无法保证原子性。

来自慕课网