Java内存模型之可见性

1.什么是可见性问题

首先来看第一个代码案例，演示什么是可见性问题。

/*** 演示可见性带来的问题*/
public class FieldVisibility {int a = 1;int b = 2;private void change() {a = 3;b = a;}private void print() {System.out.println("b = " + b + ", a = " + a);}public static void main(String[] args) {while (true) {FieldVisibility test = new FieldVisibility();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}test.change();}}).start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}test.print();}}).start();}}
}

关于上述程序的运行结果，我们可以很容易分析得到如下三种情况：

• b = 2, a = 3
• b = 2, a = 1
• b = 3, a = 3

然而，在实际运行过程中，还有可能会出现第四种情况（概率低），即 b = 3, a = 1。这是因为 a 虽然被修改了，但是其他线程不可见，而 b 恰好其他线程可见，这就造成了 b = 3, a = 1。

2.为什么会有可见性问题

接下来，尝试分析第二个案例。

至此，解答一个问题：为什么会有可见性问题？

• CPU有多级缓存，导致读的数据过期。
• 高速缓存的容量比主内存小，但是速度仅次于寄存器，所以在CPU和主内存之间就多了Cache层。
• 线程间的对于共享变量的可见性问题不是直接由多核引起的，而是由多缓存引起的。
• 如果所有的核心都只用一个缓存，那么也就不存在内存可见性问题了。
• 每个核心都会将自己需要的数据读到独占缓存中，数据修改后也是写入到缓存中，然后等待刷入到主存中。所以会导致有些核心读取的值是一个过期的值。

3.JMM的抽象：主内存和本地内存

3.1 什么是主内存和本地内存

Java作为高级语言，屏蔽了这些底层细节，用JMM定义了一套读写内存数据的规范，虽然我们不再需要关心一级缓存和二级缓存的问题，但是，JMM抽象了主内存和本地内存的概念。

这里说的本地内存并不是真的是一块给每个线程分配的内存，而是JMM的一个抽象，是对于寄存器、一级缓存、二级缓存等的抽象。

3.2 主内存和本地内存的关系

JMM有以下规定：

1. 所有的变量都存储在主内存中，同时每个线程也有自己独立的工作内存，工作内存中的变量内容是主内存中的拷贝。
2. 线程不能直接读写主内存中的变量，而是只能操作自己工作内存中的变量，然后再同步到主内存中。
3. 主内存是多个线程共享的，但线程间不共享工作内存，如果线程间需要通信，必须借助主内存中转来完成。

总结：所有的共享变量存在于主内存中，每个线程有自己的本地内存，而且线程读写共享数据也是通过本地内存交换的，所以才导致了可见性问题。

4.Happens-Before原则

4.1 什么是Happens-Before

下面的两种解释其实是一种意思。

Happens-Before规则是用来解决可见性问题的：在时间上，动作 A 发生在动作 B 之前，B 保证能看见 A，这就是Happens-Before。

两个操作可以用Happens-Before来确定它们的执行顺序：如果一个操作Happens-Before于另一个操作，那么我们说第一个操作对于第二个操作是可见的。

4.2 什么不是Happens-Before

两个线程没有相互配合的机制，所以代码 X 和 Y 的执行结果并不能保证总被对方看到的，这就不具备Happens-Before。

4.3 Happens-Before规则有哪些

(1) 单线程规则

(2) 锁操作（synchronized和Look）

(3) volatile变量

(4) 线程启动

(5) 线程join

(6) 传递性

传递性：如果 hb(A,B) 而且 hb(B,C)，那么可以推出 hb(A,C)。

(7) 中断

中断：一个线程被其他线程 interrupt 时，那么检测中断（isInterrupted）或者抛出 InterruptedException 一定能看到。

(8) 构造方法

构造方法：对象构造方法的最后一行指令Happens-Before于 finalize() 方法的第一行指令。

(9) 工具类的Happens-Before原则

• 线程安全的容器get一定能看到在此之前的put等存入动作
• CountDownLatch
• Semaphore
• Future
• 线程池
• CyclicBarrier

4.4 演示：使用volatile修正可见性问题

Happens-Before有一个原则是：如果 A 是对 volatile 变量的写操作，B 是对同一个变量的读操作，那么 hb(A,B)。

根据上面的原则，可以使用 volatile 关键字解决本文开头第一个案例的可见性问题。

/*** 使用volatile关键字解决可见性问题*/public class FieldVisibility {int a = 1;volatile int b = 2; // 只给b加volatile即可// writerThreadprivate void change() {a = 3;b = a; // 作为刷新之前变量的触发器}// readerThreadprivate void print() {System.out.println("b = " + b + ", a = " + a);}public static void main(String[] args) {while (true) {FieldVisibility test = new FieldVisibility();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}test.change();}}).start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}test.print();}}).start();}}
}

这里体现了 volatile 的一个很重要的功能：近朱者赤。给 b 加了 volatile，不仅 b 被影响，也可以实现轻量级同步。

b 之前的写入（对应代码b=a）对读取 b 后的代码（print b）都可见，所以在 writerThread 里对 a 的赋值，一定会对 readerThread 里的读取可见，所以这里的 a 即使不加 volatile，只要 b 读到是 3，就可以由Happens-Before原则保证了读取到的都是 3 而不可能读取到 1。

5.volatile关键字

5.1 volatile是什么

volatile是一种同步机制，比synchronized或者Lock相关类更轻量，因为使用volatile并不会发生上下文切换等开销很大的行为。

如果一个变量被修饰成volatile，那么JVM就知道了这个变量可能会被并发修改。

但是开销小，相应的能力也小，虽然说volatile是用来同步地保证线程安全的，但是volatile做不到synchronized那样的原子保护，volatile仅在很有限的场景下才能发挥作用。

5.2 volatile的适用场合

(1) 不适用于a++

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;/*** volatile的不适用场景*/
public class NoVolatile implements Runnable {volatile int a;AtomicInteger realA = new AtomicInteger();@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10000; i++) {a++;realA.incrementAndGet();}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Runnable r = new NoVolatile();Thread thread1 = new Thread(r);Thread thread2 = new Thread(r);thread1.start();thread2.start();thread1.join();thread2.join();System.out.println(((NoVolatile) r).a);System.out.println(((NoVolatile) r).realA.get());}
}

(2) 适用场景一

如果一个共享变量自始至终只被各个线程赋值，而没有其他的操作，那么就可以用volatile来代替synchronized或者代替原子变量，因为赋值自身是有原子性的，而volatile又保证了可见性，所以就足以保证线程安全。例如，boolean flag 操作。

注意：volatile 适用的关键并不在于 boolean 类型，而在于和之前的状态是否有关系。

在下面的程序中，setDone() 的时候，done 变量只是被赋值，而没有其他的操作，所以是线程安全的。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;/*** volatile的适用场景*/
public class UseVolatile implements Runnable {volatile boolean done = false;AtomicInteger realA = new AtomicInteger();@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10000; i++) {setDone();realA.incrementAndGet();}}private void setDone() {done = true;}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Runnable r = new UseVolatile();Thread thread1 = new Thread(r);Thread thread2 = new Thread(r);thread1.start();thread2.start();thread1.join();thread2.join();System.out.println(((UseVolatile) r).done);System.out.println(((UseVolatile) r).realA.get());}
}

在下面的程序中，虽然 done 变量是 boolean 类型的，但 flipDone() 的时候，done 变量取决于之前的状态，所以是线程不安全的。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;/*** volatile的不适用场景*/
public class NoUseVolatile implements Runnable {volatile boolean done = false;AtomicInteger realA = new AtomicInteger();@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10000; i++) {flipDone();realA.incrementAndGet();}}private void flipDone() {done = !done;}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Runnable r = new NoUseVolatile();Thread thread1 = new Thread(r);Thread thread2 = new Thread(r);thread1.start();thread2.start();thread1.join();thread2.join();System.out.println(((NoUseVolatile) r).done);System.out.println(((NoUseVolatile) r).realA.get());}
}

(3) 适用场景二

作为刷新之前变量的触发器。

5.3 volatile的两点作用

可见性：读一个volatile变量之前，需要先使相应的本地缓存失效，这样就必须到主内存读取最新值，写一个volatile属性会立即刷入到主内存。

禁止指令重排序优化：解决单例双重锁乱序问题。

5.4 volatile和synchronized的关系

volatile在这方面可以看做是轻量版的synchronized：如果一个共享变量自始至终只被各个线程赋值，而没有其他的操作，那么就可以用volatile来代替synchronized或者代替原子变量，因为赋值自身是有原子性的，而volatile又保证了可见性，所以就足以保证线程安全。

5.5 volatile小结

1. volatile修饰符适用于以下场景：某个属性被多个线程共享，其中有一个线程修改了此属性，其他线程可以立即得到修改后的值，比如 boolean flag 或者作为触发器，实现轻量级同步。
2. volatile属性的读写操作都是无锁的，它不能替代synchronized，因为它没有提供原子性和互斥性。因为无锁，不需要花费时间在获取锁和释放锁上，所以说它是低成本的。
3. volatile只能作用于属性，我们用volatile修饰属性，这样compilers就不会对这个属性做指令重排序。
4. volatile提供了可见性，任何一个线程对其的修改将立马对其他线程可见。volatile属性不会被线程缓存，始终从主存中读取。
5. volatile提供了happens-before保证，对volatile变量 v 的写入happens-before所有其他线程后续对 v 的读操作。
6. volatile可以使得long和double的赋值是原子的。关于long和double的原子性，可以参考这篇文章。

6.能保证可见性的措施

除了volatile可以让变量保证可见性外，synchronized、Lock、并发集合、Thread.join() 和 Thread.start() 等都可以保证可见性。

具体看上述happens-before原则的规定。

7.升华：对synchronized可见性的正确理解

synchronized不仅保证了原子性，还保证了可见性。

synchronized不仅让被保护的代码安全，还近朱者赤。