Java多线程内存可见性

最近在慕课网看了一个相关视频，也一些理解和体悟，也把它写下来，作为一个积累和加深印象。

一、可见性

首先让我们来理解三个概念：

原子性：原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型） 这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++； 这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。

可见性：一个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看到。

共享变量：如果一个变量在多个线程的工作内存中都存在副本，那么这个变量就是这几个线程的共享变量。

那么什么又是线程的工作内存？这个其实是java内存模型的一个概念：

Java内存模型（JMM/Java Memory Model）：描述了Java程序中各种变量（线程共享变量）的访问规则，以及在JVM中将变量存储到内存和从内存中读取出变量这样的底层细节。

1、所有的变量都储存在主内存中；

2、每个线程都有自己独立的工作内存，里面保存该线程使用到的变量的副本（主内存中该变量的一份拷贝），原件依旧保存在主内存。

一个简单的原理图：



一些注意点：

1、线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，不能直接从主内存中读写；

2、不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来完成。

如果要想让线程1对变量的修改及时地被线程2看到，就必须先把工作内存1中更新的共享变量刷新到主内存，主内存再将最新的共享变量的值更新到工作内存2中。在此过程中任一出现问题，都将导致程序的不安全。

二、synchronized实现可见性原理

synchronized能够实现原子性（同步）和可见性。在JMM中关于synchronized的两条规定：

1、线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中；

2、线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值（加锁和解锁需要的时同一把锁）。

线程解锁前对共享变量的修改在下次加锁时对其他的线程可见。

所以线程执行互斥代码的过程如下：

1、获取互斥锁

2、清空工作内存

3、从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存

4、执行代码

5、将更改后的共享变量的值刷新到主内存

6、释放互斥锁

在写代码之前，我们还需要了解两个概念：

重排序

代码书写的顺序和实际执行的顺序可能不同，重排序是编译器或处理器为了提高程序性能而做的优化。重排序分为3种：

1.编译器优化的重排序（编译器优化）

2.指令集并行重排序（处理器优化）

3.内存系统的重排序（处理器优化）

as-if-serial

无论如何重排序，程序执行的结果应该与代码顺序执行的结果一致（Java编译器、运行时和处理器都会保证Java在单线程下遵循as-if-serial语义）

也就是说，重排序不会给单线程带来内存可见性问题，但是在多线程程序交错执行时，重排序可能会造成内存可见性的问题。

代码分析

public class SynchronizedDemo {
//共享变量
private boolean ready = false;
private int result = 0;
private int number = 1;
//写操作
public void write() {
ready = false;     //1.1
number = 2;        //1.2
}
//读操作
public void read() {
if (ready) {               //2.1
result = number * 3;   //2.2
}

System.out.println("result的值是：" + result);
}

//内部线程类
private class ReadWriteThread extends Thread {
//根据构造方法中传入的flag参数，确定线程执行读操作还是写操作
private boolean flag;
public ReadWriteThread(boolean flag) {
this.flag = flag;
}
@Override
public void run() {
if (flag) {
//构造方法中传入true，执行写操作
write();
}
else {
read();
}
}
}

public static void main(String[] args) {
SynchronizedDemo syncDemo = new SynchronizedDemo();
//启动线程执行写操作
syncDemo.new ReadWriteThread(true).start();
//启动线程执行读操作
syncDemo.new ReadWriteThread(false).start();
}

}

以上代码的执行结果，有可能就不是6，而是其他的比如0、3之类的数字（多运行几次应该就能看到），这就是共享变量在线程间不可见导致的，那么造成这种情况的原因有哪些呢：

1.线程的交叉执行

2.重排序结合线程交叉执行

3.共享变量更新后的值没有在工作内存与主内存间及时更新

那么安全的代码应该是这样的：

//写操作
public synchronized void write() {
ready = true;     //1.1
number = 2;       //1.2
}
//读操作
public synchronized void read() {
if (ready) {               //2.1
result = number * 3;   //2.2
}

System.out.println("result的值是：" + result);
}

那么针对这些问题，synchronized解决方案是什么呢？

不可见的原因	synchronized解决方案
线程的交叉执行	通过锁来保证锁内的代码一段时间内只能由一个线程执行，保证其原子性
重排序结合线程交叉执行	由于避免了线程的交叉执行，变为了单线程执行，重排序对单线程是没有影响的
共享变量未及时更行	通过synchronized的两个规范来避免

三、volatile实现可见性

volatile关键字：

1.能够保证volatile变量的可见性

2.不能保证volatile变量复合操作的原子性

volatile如何实现内存可见性

深入来说：通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现的

1.对volatile变量执行写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令，强制刷新工作内存的内容到主内存。同时防止重排序；

2.对volatile变量执行读操作时，会在写操作后加入一条load屏障指令，使工作内存中的内容失效，从主内存重新读取。

通俗来说：volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中重读该变量的值，而当该变量发送变化时，又会强迫线程将最新的值刷新到主内存。这样任何时刻，不同的线程总能看到该变量的最新值。

volatile不能保证变量复合操作的原子性

private int number = 0;
number++;    //不是原子操作，分为3步
//1.读取number的值
//2.将number的值加1
//3.写入最新的number的值

synchronized(this){
number++;
}  //加入synchronized，变为原子操作

private volatile int number = 0;   //同样无法保证操作的原子性

要在多线程中安全的使用volatile变量，必须同时满足：

1.对变量的写入操作不依赖其当前值

不满足：number++， cnt = cnt*5；

满足：boolean变量、记录温度变化的变量等

2.该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

不满足：不变式 low < up