jvm 内存模型与线程 & Volatile

1.Java内存模型

CPU在运行的时候，不可能把所有的东西都放在寄存器里面，所有需要使用内存。这个内存就是我们知道的那个内存。

但是实际情况是，内存的读写速度于CPU的指令操作差了几个数量级。所以为了跟高效的使用CPU，就有高速缓存这么一个东西。

以下是Intel 酷睿i7 6700K参数：

三级缓存8MB。

百度以下就知道这个“三级缓存”是个神马东西。

而java的内存模型与物理结构非常相识，有一个主内存，对应我们计算机的内存，还有每个线程都有一个工作内存，对应于高速缓存。



 

可以看到，每个java线程都有自己独立的内存。

这也就解释了，为什么不同线程，如果不同步的话，变量就会有并发的问题。

这里关于工作内存和主内存的拷贝问题，是由JVM实现的，并不是正真意义上的内存复制。

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2.内存间操作

1）lock，作用于主内存变量，把一个变量标记为线程独占。

2）unlock，与lock正相反。

3）read，作用于主内存变量，它把一个变量从主内存传输到工作内存中。

4）load，作用于工作内存变量，把从read里面获取的变量放入工作内存的变量副本中。

5）use，作用于工作内存变量，把变量的值传递给执行引擎。

6）assign，作用于工作内存变量，把执行引擎的值 复制给工作内存变量。同use相反

7）store，作用于工作内存变量，把工作内存变量传输到主内存中。

8）write，作用于主内存变量，把store获取的值，写入到住内存中的变量。

read & load， store & write成对出现。

还有其他一些规则，目的就是保证内存变量的 操作合理，有序。

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3.并发编程的三个概念

1）原子性

计一个操作要么全部执行，要么不执行，不能被打断。

jvm通过lock & unlock指令来保证代码的原子性。反映到java代码就是synchronized.

2)可见性

可见性是指当一个程序修改变量以后，其他程序可以立即获得这个修改的值。

3)有序性

JVM在编译java代码，优化的时候，会重现排布java代码的顺序。但是会保证结果时候java代码的顺序结果一致的。

public Runnable mRun1 = new Runnable() {
@Override
public void run() {
int a = readFileName();
writeFile(a);
initialized = true;
}
};

上面readFileName 和initialized = true;没有必然关系，所以在实际执行的时候，可能会先执行initialized = true;

对于这个线程内的结果没有影响。

但是如果是多线程的情况下：

public Runnable mRun2 = new Runnable() {
@Override
public void run() {
while (!initialized)
{
try {
TraceLog.i("sleep");
Thread.sleep(5);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
doSomeThing(context);
}
};

initialized = true的执行顺序对线程2的结果有直接的影响。所有有序性在这种情况下，需要保证。

一般java里面用synchronized就可以保证。但是过多的synchronized会对性能有很大的损失。

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4.volatile关键字

volatile关键字修饰后的变量.有2个作用：

1）用来确保将变量的更新操作通知到其他线程,保证了新值能立即同步到主内存,以及每次使用前立即从主内存刷新.

当把变量声明为volatile类型后,编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的.

但是volatile 不能保证线程是安全的，因为java里面的运算并非原子操作。2）volatile还有一个特性就是保证指令不重新排序。现在编译器，为了优化代码，都会重新排序指令。如果在多个线程里面，就会有很大的问题。

但是指令重排是JVM在它认为合理的情况下做的，所以很难模拟出这一情况。

boolean aBoolean = false;
public Runnable mRun1 = new Runnable() {
@Override
public void run() {
aBoolean = false;
while (!aBoolean)
{
doSomeThing();
}
}
};

public Runnable mRun2 = new Runnable() {
@Override
public void run() {
aBoolean = true;
}
};

只是2个线程的例子，线程2用来关闭线程1.一般情况下，它会运行良好，但是有小概率情况下，会有问题。

aBoolean 在赋值为true的时候，没有立刻被同步到主内存，而这时候线程1的工作内存aBoolean 的拷贝是false。

所以会陷入死循环。

volatile关键字就可以避免这种情况的发生。

1）当aBoolean = true;发生后，线程2会立即把aBoolean 的值更新到主内存。

2）线程1在使用到aBoolean 是，会首先到主内存重新获取新的值。然后更新工作内存中的值，这个时候 aBoolean就是true了，循环退出。

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5.volatile 保证原子操作吗？

volatile不能保证线程是安全的。

package com.joyfulmath.jvmexample.multithread;

import com.joyfulmath.jvmexample.TraceLog;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
* @author deman.lu
* @version on 2016-05-26 14:34
*/
public class VolatileTest2 {
public volatile int inc = 0;
static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);
public void increase() {
inc++;
}

public static void main() {
TraceLog.i();
final VolatileTest2 test = new VolatileTest2();
for(int i=0;i<200;i++){
new Thread(){
@Override
public void run() {
super.run();
for(int j=0;j<50;j++)
test.increase();

countDownLatch.countDown();
//                    TraceLog.i(String.valueOf(Thread.currentThread().getId()));
}
}.start();
}

try {
countDownLatch.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(test.inc);
TraceLog.i(String.valueOf(test.inc));
}
}

05-26 14:48:06.060 15209-15209/com.joyfulmath.jvmexample I/System.out: 9950
05-26 14:48:06.061 15209-15209/com.joyfulmath.jvmexample I/VolatileTest2: main: 9950 [at (VolatileTest2.java:41)]

结果并不是10000，原因就是 自增函数不是原子操作，而Volatile只能保证数值是更新到住内存，但是，当线程1执行过程中假设inc=5，线程2可能已经获取了inc的值。

这个时候，线程1，++以后变为6，线程2也是6，而且因为主内存的值 & 线程2的值一致，就不会触发其他线程无效的情况，所以线程3取到的值，还是6.所有这个数值的结果是无法确认的，但是<10000.

But, 我在android23下编译，发现一直是10000.不清楚原因？？？

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6.volatile的有序性

volatile只能保证部分有序性，比如说:

1 volatile boolean initialized = false;
2         public void run() {
3             context = readFileName();
4             writeFile(context);
5             initialized = true;
6             play();
7             Drawable();
8         }

上面，3，4两行语句顺序是乱序的，6，7也是，但是5 一定在3，4之后运行。 也就是5的执行为止不变，而且，3，4 不能和6，7互换执行顺序。这就是volatile有限的有序性。