JVM第十五篇（完结篇 内存模型）

JVM第十五篇（完结篇 内存模型）

这是目录

• JMM（java内存模型）
• • 原子性
  • 可见性
  • 有序性
  • happens-before
• CAS
• • CAS底层原理
  • 乐观锁与悲观锁：
  • 原子 *** 作类
• synchronized 优化
• • 轻量级锁
  • 重量级锁-自旋
  • 偏向锁
  • 其它优化
• JVM 完结

JMM（java内存模型）

java 内存模型 是 Java Memory Model（JMM）的意思。简单的说，JMM 定义了一套在多线程读写共享数据时（成员变量、数组）时，对数据的可见性、有序性、和原子性的规则和保障。

原子性

原子性：一个或多个 *** 作是不可中断的，要么全部执行，要么全部执行失败。
原子 *** 作：符合原子性的 *** 作。
从一个简单的代码，分析问题

public class Demo4_1 {
    static int i = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {      
            for (int j = 0; j < 50000; j++) {
                i++;
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 50000; j++) {
                i--;
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

在两个线程中 分别对静态变量 i 执行5000次i++和i– *** 作。然后输出 i 的值，多次执行，发现每次的结果都不一样。
这是因为 i ++ 和 i – *** 作不是原子性的 *** 作，两个线程在执行时，会互相干扰，造成结果的错误。
i ++ 对应的字节码指令

getstatic i 	// 获取静态变量i的值
iconst_1 		// 准备常量1
iadd 			// 加法，将1和i值相加
putstatic i 	// 将修改后的值存入静态变量i

i – 对应的字节码指令

getstatic i 	// 获取静态变量i的值
iconst_1 		// 准备常量1
isub 			// 减法
putstatic i 	// 将修改后的值存入静态变量i

这些指令可能在执行时，交替执行。例如

getstatic i 	// 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i 	// 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 		// 线程1-准备常量1
iadd 			// 线程1-自增 线程内i=1
putstatic i 	// 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
iconst_1 		// 线程2-准备常量1
isub 			// 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i 	// 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1

JMM 中静态变量存放在主内存中，线程执行时，将 i 的值读取到线程的工作内存，完成修改 *** 作后，写回主内存，两个线程并发，对主内存中 i *** 作，导致结果出错。

解决方法
使用 synchronized（同步关键字）解决线程并发时，对同一个变量的 *** 作。
语法：

synchronized(对象){
	要作为原子 *** 作代码
}

在代码中进行修改，使用 synchronized 关键字。将 i++ 和 i–作为原子性 *** 作。

static Object obj = new Object();
for (int j = 0; j < 50000; j++) {
	synchronized(obj){
		i++;
	}
}
for (int j = 0; j < 50000; j++) {
	synchronized(obj){
		i--;
	}
}

当线程 t1 执行到 synchronized(obj) 时就好比 t1 进入了这个房间，并反手锁住了门，在门内执行
i ++ 代码。
这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(obj) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待。
当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会解开门上的锁，从 obj 房间出来。t2 线程这时才
可以进入 obj 房间，反锁住门，执行它的 i – 代码

可见性

一个线程对对象的 *** 作，可以被其它线程知道，称为可见性。

static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	Thread t = new Thread(()->{
		while(run){
			// ....
		}
	});
	t.start();
	Thread.sleep(1000);
	run = false; 	// 修改run，使得线程t中while循环停下，但是线程t不会如预想的停下来
}

原因分析：

1. 初始状态， t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存。
   
2. . 因为 t 线程要频繁从主内存中读取 run 的值，JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中，减少对主存中 run 的访问，提高效率。
   
3. 1 秒之后，main 线程修改了 run 的值，并同步至主存，而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读
   取这个变量的值，结果永远是旧值。
   解决方法
   使用 volatile（易变关键字）修饰变量 run
   它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程 *** 作 volatile 变量都是直接 *** 作主存

volatile实现可见性：
1）该变量立即刷新到主内存。
2）使其他线程的共享变量立即失效。言外之意当其他线程需要的时候再从主内存取。

volatile 只保证可见性，属于轻量级 *** 作，性能相对更高。
synchronized 语句块既可以保证代码块的原子性，也同时保证代码块内变量的可见性。但缺点是
synchronized是属于重量级 *** 作，性能相对更低。

有序性

诡异的结果

int num = 0;
boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
	if(ready) {
		r.r1 = num + num;
	} else {
		r.r1 = 1;
	}
} 
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) {
	num = 2;
	ready = true;
}

分析执行完成之后，r.r1 的值的可能。

1. 情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1
2. 情况2：线程2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结果为1
3. 情况3：线程2 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）
4. 情况4：线程2 执行 ready = true，切换到线程1，进入 if 分支，相加为 0，再切回线程2 执行 num = 2

在情况4中先执行了ready = true，然后执行 num = 2，这种现象叫做指令重排，是 JIT 编译器在运行时的一些优化，这个现象需要通过大量测试才能复现：借助 java 并发压测工具 jcstress，测试。
测试结果如下，0的情况出现了 1652 次，虽然少，但是存在这种现象。

0 1,652 ACCEPTABLE_INTERESTING !!!!
1 46,460,657 ACCEPTABLE ok
4 4,571,072 ACCEPTABLE ok

解决方法
volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排。

有序性理解
JVM 会在不影响正确性的前提下，可以调整语句的执行顺序。

static int i;
static int j;
// 在某个线程内执行如下赋值 *** 作
i = ...; // 较为耗时的 *** 作
j = ...;

可以看到，至于是先执行 i 还是 先执行 j ，对最终的结果不会产生影响。所以，上面代码真正执行
时，既可以是

i = ...; // 较为耗时的 *** 作
j = ...;

也可以是

j = ...;
i = ...; // 较为耗时的 *** 作

这种特性称之为『指令重排』，但是在多线程下『指令重排』会影响正确性。例如 著名的double-checked locking 模式实现单例。

public final class Singleton {
	private Singleton() { }
	private static Singleton INSTANCE = null;
	public static Singleton getInstance() {
		// 实例没创建，才会进入内部的 synchronized代码块
		if (INSTANCE == null) {
			synchronized (Singleton.class) {
				// 也许有其它线程已经创建实例，所以再判断一次
				if (INSTANCE == null) {
					INSTANCE = new Singleton();
				}
			}
		} 
		return INSTANCE;
	}
}

以上的实现特点是：
1. 懒惰实例化
2. 首次使用 getInstance() 才使用 synchronized 加锁，后续使用时无需加锁

但在多线程环境下，上面的代码是有问题的， INSTANCE = new Singleton() 对应的字节码为：

0: new #2 				// class cn/itcast/jvm/t4/Singleton
3: dup					
4: invokespecial #3 	// Method "":()V
7: putstatic #4 		// Field

在执行 new Singleton 的时候，如果 4，7发生指令重排，现执行 7 ，再执行 4。
对应于两个线程 t1 和 t2，t1线程 在创建对象时，先 执行7，同时 t2线程 判断 INSTANCE 不为空，拿到INSTANCE ，但是此时 t1中的 4还未执行，也就是说， INSTANCE 还未执行构造方法，t2 线程拿到的 INSTANCE 是一个未构造完成的对象。此时，使用 INSTANCE 就会发生错误。

对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可，可以禁用指令重排。

happens-before

happens-before 规定了哪些写 *** 作对其它线程的读 *** 作可见，它是可见性与有序性的一套规则总结，
抛开以下 happens-before 规则，JMM 并不能保证一个线程对共享变量的写，对于其它线程对该共享变量的读可见。

1.线程解锁 m 之前对变量的写，对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见
即，synchronized 保证了 可见性。
在 t1 中修改了 x的值，在t2中可见。

static int x;
static Object m = new Object();
new Thread(()->{
	synchronized(m) {
		x = 10;
	}
},"t1").start();
new Thread(()->{
	synchronized(m) {
		System.out.println(x);
	}
},"t2").start();

2.线程对 volatile 变量的写，对接下来其它线程对该变量的读可见

volatile static int x;
new Thread(()->{
	x = 10;
},"t1").start();
new Thread(()->{
	System.out.println(x);
},"t2").start();

3.线程 start 前对变量的写，对该线程开始后对该变量的读可见

static int x;
x = 10;
new Thread(()->{
	System.out.println(x);
},"t2").start();

4.线程结束前对变量的写，对其它线程得知它结束后的读可见（比如其它线程调用 t1.isAlive() 或
t1.join()等待它结束）

static int x;
Thread t1 = new Thread(()->{
	x = 10;
},"t1");
t1.start();
t1.join();
System.out.println(x);

5.线程 t1 打断 t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见（通
过t2.interrupted 或 t2.isInterrupted）

static int x;
public static void main(String[] args) {
	Thread t2 = new Thread(()->{
		while(true) {
			if(Thread.currentThread().isInterrupted()) {
				System.out.println(x);
				break;
			}
		}
	},"t2");
	t2.start();
	new Thread(()->{
		try {
			Thread.sleep(1000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		} 
		x = 10;
		t2.interrupt();
	},"t1").start();
	while(!t2.isInterrupted()) {
		Thread.yield();
	} 
	System.out.println(x);
}

对变量默认值（0，false，null）的写，对其它线程对该变量的读可见
具有传递性，如果 x hb-> y 并且 y hb-> z 那么有 x hb-> z

CAS

CAS 即 Compare and Swap ，它体现的一种乐观锁的思想。

CAS底层原理

一个例子：比如多个线程要对一个共享的整型变量执行 +1 *** 作

// 需要不断尝试
while(true) {
	int 旧值 = 共享变量 ; // 比如拿到了当前值 0
	int 结果 = 旧值 + 1; // 在旧值 0 的基础上增加 1 ，正确结果是 1
	
	if( compareAndSwap ( 旧值, 结果 )) {
		// 成功，退出循环
	}
}

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于竞争不激烈、多核 CPU 的场景下。

1. 因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
2. 如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

CAS 底层依赖于一个 Unsafe 类来直接调用 *** 作系统底层的 CAS 指令，下面是直接使用 Unsafe 对象进行线程安全保护的一个例子

class DataContainer {
	private volatile int data;
	static final Unsafe unsafe;
	static final long DATA_OFFSET;
	static {
		try {
			// Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得
			Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
			theUnsafe.setAccessible(true);
			// 获取 unsafe 对象
			unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
		} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
			throw new Error(e);
		} try {
			// data 属性在 DataContainer 对象中的偏移量，用于 Unsafe 直接访问该属性
			DATA_OFFSET = unsafe.objectFieldOffset(DataContainer.class.getDeclaredField("data"));
		} catch (NoSuchFieldException e) {
			throw new Error(e);
		}
	} 
	// 使用 unsafe 加 *** 作
	public void increase() {
		int oldValue;
		while(true) {
			// 获取共享变量旧值，可以在这一行加入断点，修改 data 调试来加深理解
			oldValue = data;
			// cas 尝试修改 data 为 旧值 + 1，如果期间旧值被别的线程改了，返回 false
			if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue + 1)) {
				return;
			}
		}
	} 
	// 使用 unsafe 减 *** 作
	public void decrease() {
		int oldValue;
		while(true) {
			oldValue = data;
			if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue - 1)) {
				return;
			}
		}
	}
	public int getData() {
		return data;
	}
}

调用类

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
public class TestCAS {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		DataContainer dc = new DataContainer();
		int count = 5;Thread t1 = new Thread(() -> {
			for (int i = 0; i < count; i++) {
				dc.increase();
			}	
		});
		t1.start();
		t1.join();
		System.out.println(dc.getData());
	}
}

乐观锁与悲观锁：

CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，
我吃亏点再重试呗。
synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁
你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。

原子 *** 作类

juc（java.util.concurrent）中提供了原子 *** 作类，可以提供线程安全的 *** 作，例如：AtomicInteger、
AtomicBoolean等，它们底层就是采用 CAS 技术 + volatile 来实现的。
可以使用 AtomicInteger 改写之前的例子
使用 AtomicInteger 类，可以保证线程安全。

// 创建原子整数对象
private static AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	Thread t1 = new Thread(() -> {
		for (int j = 0; j < 5000; j++) {
			i.getAndIncrement(); // 获取并且自增 i++
			// i.incrementAndGet(); // 自增并且获取 ++i
		}
	});
	Thread t2 = new Thread(() -> {
		for (int j = 0; j < 5000; j++) {
			i.getAndDecrement(); // 获取并且自减 i--
		}
	});
	t1.start();
	t2.start();
	t1.join();
	t2.join();
	System.out.println(i);
}

synchronized 优化

Java HotSpot 虚拟机中，每个对象都有对象头（包括 class 指针和 Mark Word）。Mark Word 平时存
储这个对象的 哈希码 、 分代年龄 ，当加锁时，这些信息就根据情况被替换为 标记位 、 线程锁记录指针 、 重量级锁指针 、 线程ID 等内容。

轻量级锁

如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。
轻量级锁不是为了代替重量级锁，它的本意是在没有多线程竞争的前提下，减少传统的重量级锁使用 *** 作系统互斥量产生的性能消耗。

加锁过程：
每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的 Mark Word。

轻量级锁加锁过程

1. 首先，JVM在当前线程栈帧中创建用于存储锁记录的空间；
2. 将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，称为Displaced Mark Word；
3. 对象 Mark Word中的两位 记录着对象是否加锁（01 无锁 00 轻量锁 10 重量锁），若发现对象无锁，线程尝试使用CAS将对象头中的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针，成功则代表获得锁，失败表示其他线程竞争锁，当前线程尝试使用自旋 *** 作来获取锁。
4. 获取锁成功，更新锁标记 为 00表示 对象加轻量级锁。

解锁过程：

1. 将锁记录中存储的 mark word 写回加锁的对象。
2. 对象的锁标记改为 01 表示无锁

轻量级锁膨胀：
在 进行CAS 轻量级加锁的时候，加锁失败，说明存在竞争，进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。
如 线程 t 对一个对象加锁失败，进行锁膨胀，使用 CAS 修改Mark 为重量锁（锁标记改为 10表示重量锁），然后在 对象头中设置重量锁指针，线程阻塞。等待线程对加锁对象解锁的时候，根据重量锁指针，唤醒阻塞线程。

重量级锁-自旋

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。
在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋 *** 作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，比较智能。

自旋：尝试加锁失败后，不立即阻塞，而是多尝试几次加锁。（如果，持锁的线程很快完成解锁，则避免阻塞）
自选失败：重试多次，未得到锁，自旋失败，进入阻塞。

1. 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
2. 好比等红灯时汽车是不是熄火，不熄火相当于自旋（等待时间短了划算），熄火了相当于阻塞（等
   待时间长了划算）
3. Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS *** 作。Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。

1. 撤销偏向需要将持锁线程升级为轻量级锁，这个过程中所有线程需要暂停（STW）
2. 访问对象的 hashCode 也会撤销偏向锁
3. 如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，
   重偏向会重置对象的 Thread ID
4. 撤销偏向和重偏向都是批量进行的，以类为单位
5. 如果撤销偏向到达某个阈值，整个类的所有对象都会变为不可偏向的
6. 可以主动使用 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁

其它优化

1.减少上锁时间，同步代码块中尽量短
2.减少锁的粒度，将一个锁拆分为多个锁提高并发度，例如：
2.1 ConcurrentHashMap
2.2 LongAdder 分为 base 和 cells 两部分。没有并发争用的时候或者是 cells 数组正在初始化的时候， 会使用 CAS 来累加值到 base，有并发争用，会初始化 cells 数组，数组有多少个 cell，就允许有多少线程并行修改，最后将数组中每个 cell 累加，再加上 base 就是最终的值
2.3 linkedBlockingQueue 入队和出队使用不同的锁，相对于linkedBlockingArray只有一个锁效率要高
3.锁粗化
多次循环进入同步块不如同步块内多次循环，另外 JVM 可能会做如下优化，把多次 append 的加锁 *** 作粗化为一次（因为都是对同一个对象加锁，没必要重入多次）

new StringBuffer().append("a").append("b").append("c");

4.锁消除
JVM 会进行代码的逃逸分析，例如某个加锁对象是方法内局部变量，不会被其它线程所访问到，这时候就会被即时编译器忽略掉所有同步 *** 作。
5. 读写分离
CopyOnWriteArrayList
ConyOnWriteSet

JVM 完结