多线程基础-JMM-volatile

背景

从 Java 代码到 CPU 指令的变化过程是怎样的？

我们在 Java 代码中，使用的控制并发的手段例如 synchronized 关键字，最终也是要转化为 CPU 指令来生效的，从 Java 代码到最终执行的 CPU 指令的流程大致如下：

最开始，我们编写的 Java 代码，是 *.java 文件， 在编译（javac 命令）后，从刚才的 *.java 文件会变出一个新的 Java 字节码文件（*.class）， JVM 会执行刚才生成的字节码文件（*.class），并把字节码文件转化为机器指令。

机器指令可以直接在 CPU 上运行，也就是最终的程序执行，而 不同的 JVM 实现会带来不同的 “翻译”，不同的 CPU 平台的机器指令又千差万别。

所以我们在 java 代码层写的各种 Lock，其实最后依赖的是 JVM 的具体实现（不同版本会有不同实现）和 CPU 的指令，才能帮我们达到线程安全的效果。

由于最终效果依赖处理器， 不同处理器结果不一样， 这样无法保证并发安全，所以需要一个标准，让多线程运行的结果可预期，这个标准就是 JMM。

JMM 篇

JMM 全称 Java Memory Model，也叫 Java 内存模型。

JMM 是一组 规范，需要各个 JVM 的实现来遵守 JMM 规范，以便于开发者可以利用这些规范，更方便地开发多线程程序。

JMM 也是工具类、关键字的原理，比如 volatile、synchronized、lock 等。

并发问题的根源

并发三要素: 有序性（重排序引起的问题）、可见性、原子性

重排序

简单来说，就是指在程序中写的代码，并不一定按照写的顺序去执行时（说实话，我第一次听到这个的时候都惊了😅）。

重排序例子

public class OutOfOrderExecution {
    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 one = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    a = 1;
                    x = b;
                }
            });

            Thread other = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    b = 1;
                    y = a;
                }
            });
            one.start();
            other.start();
            one.join();
            other.join();
            String result = "第 " + i + " 次 (" + x + "," + y + "）";
            if (x == 0 && y == 0) {
                System.err.println(result);
                break;
            } else {
                //System.out.println(result);
            }
        }
    }
}

让代码跑起来，要跑出来需要的时间挺长！尤其是你的电脑运算速度越快，那么时间可能会更长 :) 甚至十几分钟！

比如我的：第 5198378 次 (0,0），跑了快 520 万次。

代码分析

重排序发生的 3 种情况

1. 编译器优化 编译器（包括 JVM，JIT 编译器等）出于优化的目的（例如当前有了数据 a，那么如果把对 a 的操作放到一起效率会更高，避免了读取 b 后又返回来重新读取 a 的时间开销），在编译的过程中会进行一定程度的重排，导致生成的机器指令和之前的字节码的顺序不一致。 在上述的例子中，编译器将 y=a 和 b=1 这两行语句换了顺序（也可能是线程 2 的两行换了顺序，同理），因为它们之间没有数据依赖关系，那就不难得到 x =0，y = 0 这种结果了。
2. 指令重排序 CPU 的优化行为，和编译器优化很类似，是通过乱序执行的技术，来提高执行效率。所以就算编译器不发生重排，CPU 也可能对指令进行重排，所以我们开发中，一定要考虑到重排序带来的后果。
3. 内存的“重排序” 内存系统内不存在重排序，但是内存会带来看上去和重排序一样的效果，所以这里的 “重排序” 打了双引号。由于内存有缓存的存在，在 JMM 里表现为主存和本地内存，由于主存和本地内存的不一致，会使得程序表现出乱序的行为。 在上述的例子中，假设没编译器重排和指令重排，但是如果发生了内存缓存不一致，也可能导致同样的情况：线程 1 修改了 a 的值，但是修改后并没有写回主存，所以线程 2 是看不到刚才线程 1 对 a 的修改的，所以线程 2 看到 a 还是等于 0。同理，线程 2 对 b 的赋值操作也可能由于没及时写回主存，导致线程 1 看不到刚才线程 2 的修改。

什么是 JMM 里面的主内存和本地内存？

Java 作为高级语言，屏蔽了 CPU 多层缓存 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 抽象出了 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。

主内存和本地内存关系图示

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（副本）。
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, 如果线程问需要通信，必须借助 主内存中转 来完成。

线程可见性问题

例子

public class FieldVisibility {

    private int a = 1;
    private 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) {
        for (; ; ) {
            FieldVisibility visibility = new FieldVisibility();
            new Thread(() -> {
                visibility.change();
            }).start();
            new Thread(() -> {
                visibility.print();
            }).start();
        }
    }
}

代码分析

private void change() {
   a = 3;
   b = a;
}

解决办法

上面的例子如何修改？

我们给 a、b 变量加上 volatile 修饰就可以了

  private volatile int a = 1;
  private volatile int b = 2;

实际只需要给 1 个变量 b 加 volatile 就可以了，b=a 因为要读取 a，所以 b = a 这之前的语句操作其实调用 change() 也都能看到，从而保证 a 的值也是最终修改后的。

volatile 关键字

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。

volatile 作用

1. 禁止指令重排序：禁止指令重排序优化，典型的例子就是 单例双重检查锁乱序问题！
2. 保证线程可见性：读 一个 volatile 变量之前，需要先 让相应的本地缓存失效，这样就必须去 主内存中读取最新值；写 一个 volatile 变量属性会立即 刷入主内存。

volatile 适用场合

首先不适用：i++; 因为 i++ 是个非原子操作！ 所以即使用了 volatile 也不能保证原子性。

使用 volatile 所需的条件

demo 场景：状态标志(不方便理解可参考下面具体场景一)

场景：状态标志

使用一个布尔状态标志，用于指示发生了一个重要的一次性事件，例如完成初始化或请求停机。

volatile boolean shutdownRequested;
......
// 对变量仅有直接赋值的操作
// thread A 
public void shutdown() { 
    destory();
    shutdownRequested = true; 
}
// thread B , thread A 改变标记后，能立刻让 thread B 感知到
public void doWork() { 
     while (!shutdownRequested) { 
        // do stuff
    }
}

上述例子中，如果将 shutdownRequested = true; 换成 shutdownRequested = !shutdownRequested; 就不适用了。

volatile 的使用场景其实非常有限且特定，只需要记住 三个核心场景 即可。

如果你的需求超出了这三个场景，大概率你应该使用 synchronized 或 Atomic 类。

场景一：状态标记量 (Status Flags) —— 最经典用法

这是 volatile 最常用的场景。通常用于一个线程控制另一个线程的 开始/暂停/停止。

特点：

1. 不依赖当前值（即不是 count = count + 1 这种累加操作）。
2. 状态只有 true/false 或固定数值。

代码示例：

public class TaskRunner implements Runnable {
    // 必须加 volatile，保证 shutdown() 被调用时，run() 方法能立刻感知
    private volatile boolean shutdown = false;

    public void shutdown() {
        this.shutdown = true;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (!shutdown) { // 读操作
            // 执行任务...
        }
        System.out.println("任务停止");
    }
}

为什么这里不用 synchronized？

因为加锁太重了，我们只需要保证“主内存可见性”，不需要保证操作的“原子性”（赋值 true 本身就是原子的）。

场景二：安全发布 (Safe Publication) —— 比如单例模式

这就是我们最开始讨论的 双重检查锁（DCL）。

特点：

防止对象在初始化未完成时，被其他线程拿到引用（防止指令重排序造成半成品对象）。

代码示例：

private volatile static Singleton instance;

public static Singleton getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (instance == null) {
                // 如果没有 volatile，这里可能发生重排序，导致返回一个没初始化的对象
                instance = new Singleton(); 
            }
        }
    }
    return instance;
}

场景三：开销较低的“读写锁”策略

如果你有大量的 读操作，只有极少量的 写操作，你可以结合使用 volatile 和 synchronized。

策略：

• 读操作：不加锁，直接读 volatile 变量（性能极高）。
• 写操作：加 synchronized 锁（保证原子性）。

代码示例（一个简单的计数器）：

public class CheesyCounter {
    // volatile 保证读操作能看到最新的值
    private volatile int value;

    // 读操作：无锁，极其快
    public int getValue() {
        return value; 
    }

    // 写操作：加锁，保证原子性（比如防止两个线程同时 +1 导致丢失更新）
    public synchronized void increment() {
        value++; 
    }
}

注意：这种写法的前提是，increment 这种修改状态的操作必须是互斥的，但读取可以并发。

绝对不要用的场景：依赖当前值的计算（如 i++）

这是面试和实际开发中最大的坑。

错误示范：

public class Counter {
    private volatile int count = 0;

    // 错误！volatile 不能保证原子性
    public void add() {
        count++; 
    }
}

为什么不行？

count++ 实际上包含了三步指令：

1. Read: 读取 count (0)
2. Modify: 计算 0 + 1
3. Write: 写入 count (1)

如果有两个线程同时进入，它们可能都读到 0，都计算出 1，都写入 1，导致做了两次加法，结果却只加了 1。

修正方案：使用 AtomicInteger 或 synchronized。

总结

当犹豫是否该用 volatile 时，考虑两个问题：

1. 对变量的写入，是否依赖它当前的值？
   • 是（如 count++, flag = !flag） -> 不能用 volatile（除非像场景三那样配合锁）。
   • 否（如 flag = true, value = 5） -> 可以用。
2. 该变量是否包含在具有其他变量的不变式中？
   • 是（如 start < end，你想同时更新 start 和 end） -> 不能用 volatile（volatile 只能保证单个变量的可见性，无法保证两个变量更新的原子性）。
   • 否 -> 可以用。

简单来说：只有当你只是想简单地“通知”一下其他线程某个状态变了，而不需要进行复杂的逻辑计算时，才用 volatile。

volatile 和 synchronized 的关系

volatile 可以理解为 1 个轻量版的 synchronized。

volatile 是一个 字段修饰符，而 synchronized 可以修饰 代码块 和 方法。

volatile 只在线程的 本地内存 和 “主” 内存 之间 同步一个变量 的值，synchronized 在线程的 本地内存 和 “主” 内存 之间 同步所有变量 的值，并锁定和释放一个监视器。

显然，synchronized 的开销可能比 volatile 的开销更大。

原子性

即一系列的操作（一个操作或者多个操作），要么全部执行成功，要么就都不执行成功，不会出现执行一半成功的情况，是不可分割的。

Java 中默认提供的原子操作有哪些？

1. 除了 long 和 double 之外的基本类型（int、 short、 float、 byte、 char、 boolean ）的赋值操作。

​ 比如：int i = 10; 就是原子操作。

2. 所有引用 reference 的赋值操作
3. java.concurrent.Atomic.* 包中所有类的原子操作

long 和 double 的原子性问题

因为 long 和 double 两种数据类型（64 位）的操作可分为两个 32 位的操作，高 32 位和低 32 位两部分，因此普通的 long 或 double 类型读 / 写可能不是原子的。

因此，官方也鼓励程序员，将共享的 long 和 double 变量设置为 volatile 类型，这样能保证无论它们是作为 32 位还是 64 位值实现的，对 long 和 double 的单次读 / 写操作都具有原子性。

不过，现在大部分电脑都是 64 位了，在 64 位的 JVM 上就是原子的，32 位上的 JVM 就需要考虑该问题了。

实际开发中：商用 Java 虚拟机中是不会出现这样的问题的，但是该知识要了解。

官网文档参考：17.7 https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-17.html

JVM 内存结构 vs Java 内存模型 vs Java 对象模型

概括总结就是：

• JVM 内存结构：是 物理布局（数据放在哪？）
• Java 内存模型 (JMM)：是 逻辑规则，规范（多线程怎么交互？）
• Java 对象模型：是 数据结构（对象在堆里长什么样？）

1. JVM 内存结构 (JVM Runtime Data Areas)

JVM 内存结构主要是： 存储位置。

这是 Java 虚拟机规范中定义的，JVM 在运行 Java 程序时，对内存进行的 功能性划分。也就是 JVM 在运行 Java 程序时如何划分内存区域。

主要组成以下几个部分

线程共享区域

• 堆 (Heap)：存放对象实例（你的 new Object() 都在这）。垃圾回收（GC）的主要区域。
• 方法区 (Method Area / Metaspace)：存放类信息、常量、静态变量、JIT 编译后的代码。

线程私有区域

• 虚拟机栈 (VM Stack)：描述 Java 方法执行的内存模型，每个方法执行都会创建一个栈帧（Stack Frame），包含局部变量表、操作数栈等。
• 本地方法栈 (Native Method Stack)：为 Native 方法服务。
• 程序计数器 (PC Register)：记录当前线程执行到哪一行字节码了。

2. Java 内存模型 (Java Memory Model, JMM)

JMM 主要是讲 并发安全（原子性、可见性、有序性）。

JMM 是一套 抽象的规范（JSR-133），它不对应物理内存，而是定义了 JVM 如何通过内存与 CPU 缓存（寄存器、L1/L2/L3）进行交互。它的目的是屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异。

抽象视图

• 主内存 (Main Memory)：所有变量都存在这里（类似于物理内存）。
• 工作内存 (Working Memory)：每个线程私有的，保留了该线程使用到的变量的主内存副本（类似于 CPU 缓存）。

交互规则

• 线程不能直接操作主内存，必须先将变量 load 到自己的工作内存中，修改后再 save 回主内存。
• 这引发了多线程的 可见性 问题（也就是 volatile、synchronized 试图解决的问题）。

3. Java 对象模型 (Java Object Model)

Java 对象模型讲的是 对象的内部布局。

这是指一个 Java 对象在 JVM 堆内存中具体的 二进制存储格式（HotSpot 虚拟机实现）。它决定了对象怎么引用类元数据，怎么在内存中对齐。

主要组成（以 HotSpot 为例）

1. 对象头 (Header)

• Mark Word：存储运行时数据，如 HashCode、GC 分代年龄、锁状态标志（偏向锁/轻量级锁/重量级锁）、线程持有的锁等。这是并发编程中 synchronized 锁升级的基石。
• Klass Pointer (类型指针)：指向方法区中的类元数据，确定这个对象是哪个类的实例。
• 数组长度：如果是数组对象，还需要记录数组长度。

2. 实例数据 (Instance Data) : 对象真正存储的有效信息（即你在类中定义的各种字段内容，如 int age, String name）。

3. 对齐填充 (Padding) : HotSpot 要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍，不够的话需要补齐（为了 CPU 读取性能）。

总结对比表

概括来说： 你在 JVM 内存结构 的“堆”中创建了一个对象，这个对象的结构遵循 Java 对象模型，当多个线程同时访问这个对象时，需要遵守 Java 内存模型 (JMM) 的规范来保证数据安全。

private void change() {
   a = 3;
   b = a; // 执行语句时，一定会看到之前发生的 a = 3 
}