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JUC-volatile原理 2023-04-23|JUC|Java-并发编程-JUC

volatile 是 Java 虚拟机提供的轻量级的同步机制（三大特性）

保证可见性
不保证原子性（原子性由之前介绍的各种锁保证）
保证有序性（禁止指令重排）

性能：volatile 修饰的变量进行读操作与普通变量几乎没什么差别，但是写操作相对慢一些，因为需要在本地代码中插入很多内存屏障来保证指令不会发生乱序执行，但是开销比锁要小

synchronized 无法禁止指令重排和处理器优化，为什么可以保证有序性可见性

加了锁之后，只能有一个线程获得到了锁，获得不到锁的线程就要阻塞，所以同一时间只有一个线程执行，相当于单线程，由于数据依赖性的存在，单线程的指令重排是没有问题的
线程加锁前，将清空工作内存中共享变量的值，使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值；线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中（JMM 内存交互章节有讲）

底层原理

缓存一致

使用 volatile 修饰的共享变量，底层通过汇编 lock 前缀指令进行缓存锁定，在线程修改完共享变量后写回主存，其他的 CPU 核心上运行的线程通过 CPU 总线嗅探机制会修改其共享变量为失效状态，读取时会重新从主内存中读取最新的数据

lock 前缀指令就相当于内存屏障，Memory Barrier（Memory Fence）

对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障
对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障

内存屏障有三个作用：

确保对内存的读-改-写操作原子执行
阻止屏障两侧的指令重排序
强制把缓存中的脏数据写回主内存，让缓存行中相应的数据失效

内存屏障

保证可见性：

写屏障（sfence，Store Barrier）保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中

public void actor2(I_Result r) {
    num = 2;
    ready = true; // ready 是 volatile 赋值带写屏障
    // 写屏障
}

读屏障（lfence，Load Barrier）保证在该屏障之后的，对共享变量的读取，从主存刷新变量值，加载的是主存中最新数据

public void actor1(I_Result r) {
    // 读屏障
    // ready 是 volatile 读取值带读屏障
    if(ready) {
    	r.r1 = num + num;
    } else {
    	r.r1 = 1;
    }
}

全能屏障：mfence（modify/mix Barrier），兼具 sfence 和 lfence 的功能

保证有序性：

写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

不能解决指令交错：

写屏障仅仅是保证之后的读能够读到最新的结果，但不能保证其他线程的读跑到写屏障之前

有序性的保证也只是保证了本线程内相关代码不被重排序

1
2
3

volatile i = 0;
new Thread(() -> {i++});
new Thread(() -> {i--});

i++ 反编译后的指令：

1
2
3

0: iconst_1			// 当int取值 -1~5 时，JVM采用iconst指令将常量压入栈中
1: istore_1			// 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 1
2: iinc		1, 1

交互规则

对于 volatile 修饰的变量：

线程对变量的 use 与 load、read 操作是相关联的，所以变量使用前必须先从主存加载
线程对变量的 assign 与 store、write 操作是相关联的，所以变量使用后必须同步至主存
线程 1 和线程 2 谁先对变量执行 read 操作，就会先进行 write 操作，防止指令重排

JUC-可见性 2023-04-23|JUC|Java-并发编程-JUC

可见性

可见性：是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值

存在不可见问题的根本原因是由于缓存的存在，线程持有的是共享变量的副本，无法感知其他线程对于共享变量的更改，导致读取的值不是最新的。但是 final 修饰的变量是不可变的，就算有缓存，也不会存在不可见的问题

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：

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

原因：

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

解决方案

加锁

// main方法
while(true) {
    synchronized (volatileThread) {
        if(volatileThread.isFlag()) {
            System.out.println("执行了======");
        }
    }
}

某一个线程进入synchronized代码块前后，执行过程入如下：

a. 线程获得锁

b. 清空工作内存

c. 从主内存拷贝共享变量最新的值到工作内存成为副本

d. 执行代码

e. 将修改后的副本的值刷新回主内存中

f. 线程释放锁

volatile关键字

使用volatile关键字：

1	private volatile boolean flag ;

工作原理：

VolatileThread线程从主内存读取到数据放入其对应的工作内存
将flag的值更改为true，但是这个时候flag的值还没有写会主内存
此时main方法main方法读取到了flag的值为false
当VolatileThread线程将flag的值写回去后，失效其他线程对此变量副本
再次对flag进行操作的时候线程会从主内存读取最新的值，放入到工作内存中

总结： volatile保证不同线程对共享变量操作的可见性，也就是说一个线程修改了volatile修饰的变量，当修改写回主内存时，另外一个线程立即看到最新的值。

1	⚠️ volatile不保证原子性。

volatile与synchronized

volatile只能修饰实例变量和类变量，而synchronized可以修饰方法，以及代码块。
volatile保证数据的可见性，但是不保证原子性(多线程进行写操作，不保证线程安全)，而synchronized是一种排他（互斥）的机制，

JUC-有序性 2023-04-23|JUC|Java-并发编程-JUC

有序性

有序性：在本线程内观察，所有操作都是有序的；在一个线程观察另一个线程，所有操作都是无序的，无序是因为发生了指令重排序

CPU层面指令重排

CPU 的基本工作是执行存储的指令序列，即程序，程序的执行过程实际上是不断地取出指令、分析指令、执行指令的过程，为了提高性能，编译器和处理器会对指令重排，一般分为以下三种：

1	源代码 -> 编译器优化的重排 -> 指令并行的重排 -> 内存系统的重排 -> 最终执行指令

现代 CPU 支持多级指令流水线，几乎所有的冯•诺伊曼型计算机的 CPU，其工作都可以分为 5 个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数和结果写回，可以称之为五级指令流水线。CPU 可以在一个时钟周期内，同时运行五条指令的不同阶段（每个线程不同的阶段，相当于CPU指令级别的并行），本质上流水线技术并不能缩短单条指令的执行时间，但变相地提高了指令地吞吐率，多条指令的执行时间缩短了。

处理器在进行重排序时，必须要考虑指令之间的数据依赖性

单线程环境也存在指令重排，由于存在依赖性，最终执行结果和代码顺序的结果一致
多线程环境中线程交替执行，由于编译器优化重排，会获取其他线程处在不同阶段的指令同时执行

补充知识：

指令周期是取出一条指令并执行这条指令的时间，一般由若干个机器周期组成
机器周期也称为 CPU 周期，一条指令的执行过程划分为若干个阶段（如取指、译码、执行等），每一阶段完成一个基本操作，完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期
振荡周期指周期性信号作周期性重复变化的时间间隔

JVM指令重排

诡异的结果

int num = 0;
boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
 if(ready) {
 r.r1 = num + num;
 } else {
 r.r1 = 1;
 }
}
// 线程2 执行此方法
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？

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）

但结果还有可能是 0

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

这种情况是小概率发生的，体现了Java层面的指令重排。

解决方案

用volatile 修饰变量，可以禁用指令重排

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;
 }
}

注意第三行，在原先基础上给ready添加了volatile修饰，可以避免指令重排。

双端检锁中涉及的指令重排问题

检锁机制

Double-Checked Locking：双端检锁机制

DCL（双端检锁）机制不一定是线程安全的，原因是有指令重排的存在，加入 volatile 可以禁止指令重排

public final class Singleton {
    private Singleton() { }
    private static Singleton INSTANCE = null;
    
    public static Singleton getInstance() {
        if(INSTANCE == null) { // t2，这里的判断不是线程安全的
            // 首次访问会同步，而之后的使用没有 synchronized
            synchronized(Singleton.class) {
                // 这里是线程安全的判断，防止其他线程在当前线程等待锁的期间完成了初始化
                if (INSTANCE == null) { 
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }
}

不锁 INSTANCE 的原因：

INSTANCE 要重新赋值
INSTANCE 是 null，线程加锁之前需要获取对象的引用，设置对象头，null 没有引用

实现特点：

懒惰初始化
首次使用 getInstance() 才使用 synchronized 加锁，后续使用时无需加锁
第一个 if 使用了 INSTANCE 变量，是在同步块之外，但在多线程环境下会产生问题

问题分析

getInstance 方法对应的字节码为：

0: 	getstatic 		#2 		// Field INSTANCE:Ltest/Singleton;
3: 	ifnonnull 		37
6: 	ldc 			#3 		// class test/Singleton
8: 	dup
9: 	astore_0
10: monitorenter
11: getstatic 		#2 		// Field INSTANCE:Ltest/Singleton;
14: ifnonnull 27
17: new 			#3 		// class test/Singleton
20: dup
21: invokespecial 	#4 		// Method "<init>":()V
24: putstatic 		#2 		// Field INSTANCE:Ltest/Singleton;
27: aload_0
28: monitorexit
29: goto 37
32: astore_1
33: aload_0
34: monitorexit
35: aload_1
36: athrow
37: getstatic 		#2 		// Field INSTANCE:Ltest/Singleton;
40: areturn

17 表示创建对象，将对象引用入栈
20 表示复制一份对象引用，引用地址
21 表示利用一个对象引用，调用构造方法初始化对象
24 表示利用一个对象引用，赋值给 static INSTANCE

步骤 21 和 24 之间不存在数据依赖关系，而且无论重排前后，程序的执行结果在单线程中并没有改变，因此这种重排优化是允许的

关键在于 0:getstatic 这行代码在 monitor 控制之外，可以越过 monitor 读取 INSTANCE 变量的值
当其他线程访问 INSTANCE 不为 null 时，由于 INSTANCE 实例未必已初始化，那么 t2 拿到的是将是一个未初始化完毕的单例返回，这就造成了线程安全的问题

解决方法

指令重排只会保证串行语义的执行一致性（单线程），但并不会关系多线程间的语义一致性

引入 volatile，来保证出现指令重排的问题，从而保证单例模式的线程安全性：

1	private static volatile SingletonDemo INSTANCE = null;