java架构之路（多线程）JMM和volatile关键字（二）
小菜技术 人气:0貌似两个多月没写博客，不知道年前这段时间都去忙了什么。
好久以前写过一次和volatile相关的博客，感觉没写的那么深入吧，这次我们继续说我们的volatile关键字。
复习：
先来简单的复习一遍以前写过的东西，上次我们说了内存一致性协议M（修改）E（独占）S（共享）I（失效）四种状态，还有我们并发编程的三大特性原子性、一致性和可见性。再就是简单的提到了我们的volatile关键字，他可以保证我们的可见性，也就是说被volatile关键字修饰的变量如果产生了变化，可以马上刷到主存当中去。我们接下来看一下我们这次博客的内容吧。
线程：
何为线程呢？这也是我们面试当中经常问到的。按照官方的说法是：现代操作系统在运行一个程序时，会为其创建一个进程。例如，启动一个Java程序，操作 系统就会创建一个Java进程。现代操作系统调度CPU的最小单元是线程。比如我们启动QQ，就是我们启动了一个进程，我们发起了QQ语音，这个动作就是一个线程。
在这里多提一句的就是线程分为内核级线程和用户级线程，我们在java虚拟机内的线程一般都为用户级线程，也就是由我们的jvm虚拟机来调用我们的CPU来申请时间片来完成我们的线程操作的。而我们的内核级线程是由我们的系统来调度CPU来完成的，为了保证安全性，一般的线程都是由虚拟机来控制的。
上下文切换：
上面我们说过，线程是由我们的虚拟机去CPU来申请时间片来完成我们的操作的，但是不一定马上执行完成，这时就产生了上下文切换。大致就是这样的：
线程A没有运行完成，但是时间片已经结束了，我们需要挂起我们的线程A，CPU该去执行线程B了，运行完线程B，才能继续运行我们的线程A，这时就涉及到一个上下文的切换，我们把这个暂时挂起到再次运行的过程，可以理解为上下文切换（最简单的理解方式）。
可见性：
用volatile关键字修饰过的变量，可以保证可见性，也就是volatile变量被修改了，会立即刷到主内存内，让其他线程感知到变量已经修改，我们来看一个事例
public class VolatileVisibilitySample {
private volatile boolean initFlag = false;
public void refresh(){
this.initFlag = true;
String threadname = Thread.currentThread().getName();
System.out.println("线程："+threadname+":修改共享变量initFlag");
}
public void load(){
String threadname = Thread.currentThread().getName();
int i = 0;
while (!initFlag){
}
System.out.println("线程："+threadname+"当前线程嗅探到initFlag的状态的改变"+i);
}
public static void main(String[] args){
VolatileVisibilitySample sample = new VolatileVisibilitySample();
Thread threadA = new Thread(()->{
sample.refresh();
},"threadA");
Thread threadB = new Thread(()->{
sample.load();
},"threadB");
threadB.start();
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
threadA.start();
}
}
我们想创建一个全局的由volatile修饰的boolean变量，refresh方法是修改我们的全局变量，load方法是无限循环去检查我们全局volatile修饰过的变量，我们开启两个线程，开始运行，我们会看到如下结果。
也就是说，我们的变量被修改以后，我们的另外一个线程会感知到我们的变量已经发生了改变，也就是我们的可行性，立即刷回主内存。
有序性：
说到有序性，不得不提到几个知识点，指令重排，as-if-serial语义和happens-before 原则。
指令重排：java语言规范规定JVM线程内部维持顺序化语义。即只要程序的最终结果与它顺序化情况的结果相等，那么指令的执行顺序可以与代码顺序不一致，此过程叫指令的重排序。指令重排序的意义是什么？JVM能根据处理器特性（CPU多级缓存系统、多核处理器等）适当的对机器指令进行重排序，使机器指令能更符合CPU的执行特性，最大限度的发挥机器性能。
指令重排一般发生在class翻译为字节码文件和字节码文件被CPU执行这两个阶段。
as-if-serial语义的意思是：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），（单线程）程序的执行结果不能被改变。编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。 为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因 为这种重排序会改变执行结果。但是，如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被 编译器和处理器重排序。
happens-before 原则内容如下
1. 程序顺序原则，即在一个线程内必须保证语义串行性，也就是说按照代码顺序执行。
2. 锁规则 解锁(unlock)操作必然发生在后续的同一个锁的加锁(lock)之前，也就是说，如果对于一个锁解锁后，再加锁，那么加锁的动作必须在解锁动作之后(同一个锁)。
3. volatile规则 volatile变量的写，先发生于读，这保证了volatile变量的可见性，简单的理解就是，volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫将最新的值刷新到主内存，任何时刻，不同的线程总是能够看到该变量的最新值。
4. 线程启动规则 线程的start()方法先于它的每一个动作，即如果线程A在执行线程B的start方法之前修改了共享变量的值，那么当线程B执行start方法时，线程A对共享变量的修改对线程B可见
5. 传递性A先于B ，B先于C，那么A必然先于C
6. 线程终止规则 线程的所有操作先于线程的终结，Thread.join()方法的作用是等待当前执行的线程终止。假设在线程B终止之前，修改了共享变量，线程A从线程B的join方法成功返回后，线程B对共享变量的修改将对线程A可见。
7. 线程中断规则 对线程 interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测线程是否中断。
8. 对象终结规则 对象的构造函数执行，结束先于finalize()方法。
上一段代码看看指令重排的问题。
public class VolatileReOrderSample {
private static int x = 0, y = 0;
private static int a = 0, b = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int i = 0;
for (; ; ) {
i++;
x = 0;
y = 0;
a = 0;
b = 0;
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
a = 1;
x = b;
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
b = 1;
y = a;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
String result = "第" + i + "次 (" + x + "," + y + "）";
if (x == 0 && y == 0) {
System.err.println(result);
break;
} else {
System.out.println(result);
}
}
}
}
我们来分析一下上面的代码
情况1：假设我们的线程1开始执行，线程2还没开始，这时a = 1 ，x = b = 0，因为b的初始值是0，然后开始执行线程2，b = 1，y = a = 1，得到结论x = 0 ，y = 1.
情况2：假设线程1开始执行，将a赋值为1，开始执行线程2，b赋值为1，并且y = a = 1，这时继续运行线程1，x = b = 1，得到结论 x = 1，y = 1.
情况3：线程2优先执行，这时b = 1，y = a = 0，然后运行线程1，a = 1，x = b = 1，得到结论 x = 1，y = 0。
不管怎么谁先谁后，我们都是只有这三种答案，不会产生x = 0且y = 0的情况，我们在下面写出来了x = 0 且 y = 0 跳出循环。我们来测试一下。
运行到第72874次结果了0，0的情况产生了，也就是说，我们t1中的a = 1;x = b；和t2中的b = 1；y = a；代码发生了改变，只有变为
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
x = b;
a = 1;
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
y = a;
b = 1;
}
});
这种情况才可以产生0，0的情况，我们可以把代码改为
private static volatile int a = 0, b = 0;
继续来测试，我们发现无论我们运行多久都不会发生我们的指令重排现象，也就是说我们volatile关键字可以保证我们的有序性
至少我这里570万次还没有发生0，0的情况。
就是我上次博客给予的表格
| Required barriers | 2nd operation | |||
| 1st operation | Normal Load | Normal Store | Volatile Load | Volatile Store |
| Normal Load | LoadStore | |||
| Normal Store | StoreStore | |||
| Volatile Load | LoadLoad | LoadStore | LoadLoad | LoadStore |
| Volatile Store | StoreLoad | StoreStore | ||
我们来分析一下代码
线程1的。
public void run() {
a = 1;
x = b;
}
a = 1；是将a这个变量赋值为1，因为a被volatile修饰过了，我们成为volatile写，就是对应表格的Volatile Store，接下来我们来看第二步，x = b，字面意思是将b的值赋值给x，但是这步操作不是一个原子操作，其中包含了两个步骤，先取得变量b，被volatile修饰过，就成为volatile load，然后将b的值赋给x，x没有被volatile修饰，成为普通写。也就是说，这两行代码做了三个动作，分别是Volatile Store，volatile load和Store写读写，查表格我们看到volatile修饰的变量Volatile Store，volatile load之间是给予了StoreLoad这样的屏障，是不允许指令重排的，所以达到了有序性的目的。
扩展：
我们再来看一个方法，不用volatile修饰也可以防止指令重排，因为上面我们说过，volatile可以保证有序性，就是增加内存屏障，防止了指令重排，我们可以采用手动加屏障的方式也可以阻止指令重排。我们来看一下事例。
public class VolatileReOrderSample {
private static int x = 0, y = 0;
private static int a = 0, b =0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int i = 0;
for (;;){
i++;
x = 0; y = 0;
a = 0; b = 0;
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
a = 1;
UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().storeFence();
x = b;
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
b = 1;
UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().storeFence();
y = a;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
String result = "第" + i + "次 (" + x + "," + y + "）";
if(x == 0 && y == 0) {
System.err.println(result);
break;
} else {
System.out.println(result);
}
}
}
}
storeFence就是一个有java底层来提供的内存屏障，有兴趣的可以自己去看一下unsafe类，一共有三个屏障
UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().storeFence();//写屏障 UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().loadFence();//读屏障 UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().fullFence();//读写屏障
通过unsafe的反射来调用，涉及安全问题，jvm是不允许直接调用的。手写单例模式时在超高并发记得加volatile修饰，不然产生指令重排，会造成空对象的行为。后面我会科普这个玩意。
最进弄了一个公众号，小菜技术，欢迎大家的加入
加载全部内容