内存模型

1. java 内存模型

很多人将【java 内存结构】与【java 内存模型】傻傻分不清，【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

1.1 原子性

原子性在学习线程时讲过，下面来个例子简单回顾一下：
问题提出，两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

1.2 问题分析

以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作。

例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 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 
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量

而对应 i– 也是类似：

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

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和线程内存中进行数据交换：
如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：
但多线程下这 8 行代码可能交错运行（为什么会交错？思考一下）：出现负数的情况
出现正数的情况

1.3 解决方法

synchronized （同步关键字）
语法：

1
2
3

synchronized( 对象 ) { 
	要作为原子操作代码 
}

用 synchronized 解决并发问题：

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

如何理解呢：你可以把 obj 想象成一个房间，线程 t1，t2 想象成两个人。
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 count++ 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 count– 代码。

注意：上例中 t1 和 t2 线程必须用 synchronized 锁住同一个 obj 对象，如果 t1 锁住的是 m1 对象，t2 锁住的是 m2 对象，就好比两个人分别进入了两个不同的房间，没法起到同步的效果。

2. 可见性

2.1 退不出的循环

先来看一个现象，main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致了 t 线程无法停止：

public class Demo4_2 {  
  
    static boolean run = true;  
  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        Thread t = new Thread(()->{  
            while(run){  
                // ....  
                // System.out.println(1);  
            }  
        });  
        t.start();  
  
        Thread.sleep(1000);  
        run = false; // 线程t不会如预想的停下来  
    }  
}

为什么呢？分析一下：

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。
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
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

2.2 解决方法(volatile)

volatile（易变关键字）
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，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存

2.3 可见性

前面例子体现的实际就是可见性，它保证的是在多个线程之间，一个线程对 volatile 变量的修改对另一个线程可见，不能保证原子性，仅用在一个写线程，多个读线程的情况：上例从字节码理解是这样的：
|725
比较一下之前我们将线程安全时举的例子：两个线程一个 i++ 一个 i– ，只能保证看到最新值，不能解决指令交错

volatile 不能保证原子性

注意
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是属于重量级操作，性能相对更低
如果在前面示例的死循环中加入 System.out.println() 会发现即使不加 volatile 修饰符，线程 t 也能正确看到对 run 变量的修改了，想一想为什么？
println方法加了synchronized关键字

3. 有序性

3.1 诡异的结果

int num = 0;  
volatile boolean ready = false;  
  
public void actor1(I_Result r) {  
    if (ready) {  
        r.r1 = num + num;  
    } else {  
        r.r1 = 1;  
    }  
}  
   
public void actor2(I_Result r) {  
    num = 2;  
    ready = true;  
}

I_Result 是一个对象，有一个属性 r1 用来保存结果，问，可能的结果有几种
有同学这么分析
- 情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1
- 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
- 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）
但我告诉你，结果还有可能是 0 😁😁😁，信不信吧！
- 这种情况下是：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
相信很多人已经晕了 😵😵😵
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 https://wiki.openjdk.java.net/display/CodeTools/jcstress

1	mvn archetype:generate -DinteractiveMode=false - DarchetypeGroupId=org.openjdk.jcstress -DarchetypeArtifactId=jcstress-java-test- archetype -DgroupId=org.sample -DartifactId=test -Dversion=1.0

创建 maven 项目，提供如下测试类

//@JCStressTest  
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")  
// 结果为0，归为感兴趣的一类
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!") 
@State  
public class ConcurrencyTest {  
  
    int num = 0;  
    volatile boolean ready = false;  
  
    @Actor  
    public void actor1(I_Result r) {  
        if (ready) {  
            r.r1 = num + num;  
        } else {  
            r.r1 = 1;  
        }  
    }  
  
    @Actor  
    public void actor2(I_Result r) {  
        num = 2;  
        ready = true;  
    }  
}

执行

1 2	mvn clean install java -jar target/jcstress.jar

会输出我们感兴趣的结果，摘录其中一次结果：

RUN RESULTS:
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

*** INTERESTING tests
  Some interesting behaviors observed. This is for the plain curiosity.

  6 matching test results. 
      [OK] test.ConcurrencyTest
    (JVM args: [-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions, -XX:+StressLCM, -XX:+StressGCM])
  Observed state   Occurrences              Expectation  Interpretation                                              
               0        10,636   ACCEPTABLE_INTERESTING  !!!!                                                        
               1    65,287,708               ACCEPTABLE  ok                                                          
               4   135,337,107               ACCEPTABLE  ok                                                          

      [OK] test.ConcurrencyTest
    (JVM args: [-XX:-TieredCompilation, -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions, -XX:+StressLCM, -XX:+StressGCM])
  Observed state   Occurrences              Expectation  Interpretation                                              
               0        26,318   ACCEPTABLE_INTERESTING  !!!!                                                        
               1    55,872,428               ACCEPTABLE  ok                                                          
               4   150,909,975               ACCEPTABLE  ok

可以看到，出现结果为 0 的情况有 10,636 次，虽然次数相对很少，但毕竟是出现了。

3.2 解决方法

volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排
volatile boolean ready = false;

RUN RESULTS:
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

*** INTERESTING tests
  Some interesting behaviors observed. This is for the plain curiosity.

  0 matching test results. 

*** FAILED tests
  Strong asserts were violated. Correct implementations should have no assert failures here.

  0 matching test results. 

*** ERROR tests
  Tests break for some reason, other than failing the assert. Correct implementations should have none.

  0 matching test results. 

*** All remaining tests
  Tests that do not fall into any of the previous categories.

  6 matching test results.  Use -v to print them.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3.3 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，思考下面一段代码

static int i; 
static int j;

 // 在某个线程内执行如下赋值操作 
 i = ...; // 较为耗时的操作 
 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

1 2	i = ...; // 较为耗时的操作 j = ...;

也可以是

1 2	j = ...; i = ...; // 较为耗时的操作

这种特性称之为『指令重排』，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

class Singleton {  
    private Singleton (){  

    }  
    private stati c Singleton INSTANCE = null;  


    public static Singleton getInstance( )  {  
        if(INSTANCE == null) {  
            synchronized (Singleton.class) {  
                if(INSTANCE == null) {  
                    INSTANCE = new Singleton();  
                }  
            }  
        }  
        return INSTANCE;  
    }  
}

以上的实现特点是：

懒惰实例化
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 "<init>":()V 
7: putstatic #4 // Field 
INSTANCE:Lcn/itcast/jvm/t4/Singleton;

其中 4 7 两步的顺序不是固定的，也许 jvm 会优化为：先将引用地址赋值给 INSTANCE 变量后，再执行构造方法，如果两个线程 t1，t2 按如下时间序列执行：
|750 这时 t1 还未完全将构造方法执行完毕，如果在构造方法中要执行很多初始化操作，那么 t2 拿到的是将是一个未初始化完毕的单例

对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可，可以禁用指令重排，但要注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才会真正有效

3.4 happens-before

happens-before 规定了哪些写操作对其它线程的读操作可见，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
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

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
线程对 volatile 变量的写，对接下来其它线程对该变量的读可见
线程 start 前对变量的写，对该线程开始后对该变量的读可见
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）
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）

public class Demo4_3 {  
  
    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 (hb happens before)
变量都是指成员变量或静态成员变量

4. CAS 与原子类

4.1 CAS

CAS 即 Compare and Swap ，它体现的一种乐观锁的思想，比如多个线程要对一个共享的整型变量执行 +1 操作：

假设共享变量是5
结果是6
在compareAndSwap中，如果其他线程将5改为10，则比较后，结果不能写入

// 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

    /*
        这时候如果别的线程把共享变量改成了 5，本线程的正确结果 1 就作废了，这时候
        compareAndSwap 返回 false, 重新尝试, 直到:
        compareAndSwap 返回 true, 表示我本线程做修改的同时，别的线程没有干扰
    */
    if( compareAndSwap ( 旧值, 结果 ) ) {
        // 成功, 退出循环
        break;
    }
}

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。

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
但如果竞争激烈，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 类来直接调用操作系统底层的 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

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());
    }
}

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);
            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);
        }
    }
    
    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;
            }
        }
    }
    
    public void decrease() {
        int oldValue;
        while(true) {
            oldValue = data;
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue - 1)) {
                return;
            }
        }
    }
    
    public int getData() {
        return data;
    }
}

CAS 核心逻辑：
- increase() 和 decrease() 方法使用 Unsafe.compareAndSwapInt() 实现原子操作
- 通过循环重试机制处理并发冲突
关键组件：
- Unsafe：通过反射获取，提供底层 CAS 操作
- DATA_OFFSET：字段内存偏移量，用于精确定位 data 字段
- volatile：保证变量的可见性
执行流程：
- 主线程创建 DataContainer 实例
- 启动线程 t1 执行 5 次增加操作
- 使用 join() 等待 t1 完成
- 输出最终结果（应该是 5）

4.2 乐观锁与悲观锁

对于java而言，乐观锁介绍CAS，悲观锁就是synchronized

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。

4.3 原子操作类

juc（java.util.concurrent）中提供了原子操作类，可以提供线程安全的操作，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：

public class Demo4_4 {  
    // 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);  
    }  
}

5. 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

5.1 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。这就好比：
学生（线程 A）用课本占座，上了半节课，出门了（CPU时间到），回来一看，发现课本没变，说明没有竞争，继续上他的课。
如果这期间有其它学生（线程 B）来了，会告知（线程A）有并发访问，线程 A 随即升级为重量级锁，进入重量级锁的流程。
而重量级锁就不是那么用课本占座那么简单了，可以想象线程 A 走之前，把座位用一个铁栅栏围起来假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

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

5.2 锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

5.3 重量锁

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
在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，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，总之，比较智能。

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。
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）
Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能
自旋重试成功的情况

自旋重试失败的情况

5.4 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 操作。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.

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）
访问对象的 hashCode 也会撤销偏向锁
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，
撤销偏向和重偏向都是批量进行的，以类为单位
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
可以主动使用 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁
参考论文：
https://www.oracle.com/technetwork/java/biasedlocking-oopsla2006-wp-149958.pdf
假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

5.5 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：

ConcurrentHashMap
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
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