jmm的内存可见性

Java内存模型jmm

Java内存模型（即Java Memory Model，简称JMM）本身是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。

JMM中的主内存

存储java实例对象
包括成员变量、类信息、常量、静态变量等
属于数据共享的区域，多线程并发操作时会引发线程安全问题

JMM中的工作内存

存储当前方法的所有本地变量信息，本地变量对其他线程不可见
变量会从主内存拷贝到工作内存，每个线程只能访问自己的工作内存
其内还包括字节码行号指示器，Native方法信息。
属于线程私有数据区域，不存在线程安全问题

JMM与Java内存区域

JMM与Java内存区域划分是不同的概念层次

JMM描述的是一组规则，围绕原子性，有序性，可见性展开，控制程序中各个变量在共享数据区域和私有数据区域的访问方式
相似点：存在共享区域和私有区域
JMM中主内存是共享区域（在Java内存区域中应该包括堆和方法区），工作内存是私有区域（在Java内存区域中应该包括程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈）

主内存与工作内存的数据存储类型及操作方式

方法里的基本数据类型本地变量（局部变量）将直接存储在工作内存的栈帧结构中（如boolean，byte，char，int等）。
引用类型的本地变量：引用存储在工作内存中，实例存储在主内存中（引用在栈帧，实例在堆中）。
成员变量、static变量、类信息均会被存储在主内存中。
主内存共享的方式是线程各拷贝一份数据到工作内存，操作完成后刷新回住内存。

JMM如何解决可见性问题

把数据从内存加载到缓存、寄存器，运算结束后写回主内存

如此在多线程的时候会带来数据一致性问题

JMM为了数据一致性会进行指令重排序

需要满足的条件

在单线程环境下不能改变程序运行的结果
存在数据依赖关系的不允许重排序
无法通过happens-befor原则推导出来的，才能进行指令的重排序

happens-befor

A操作的结果需要对B操作可见，则A与B存在happeds-befor关系

例如：

1 2	i = 1; //线程A执行 j = i; //线程B执行

上面两行语句就存在happens-befor关系

八大原则

1、单线程happen-before原则：

在同一个线程中，书写在前面的操作happen-before后面的操作。

2、锁的happen-before原则：

同一个锁的unlock操作happen-before此锁的lock操作。

3、volatile的happen-before原则：

对一个volatile变量的写操作happen-before对此变量的任意操作(当然也包括写操作了)。

4、happen-before的传递性原则：

如果A操作 happen-before B操作，B操作happen-before C操作，那么A操作happen-before C操作。

5、线程启动的happen-before原则：

同一个线程的start方法happen-before此线程的其它方法。

6、线程中断的happen-before原则：

对线程interrupt方法的调用happen-before被中断线程的检测到中断发送的代码。

7、线程终结的happen-before原则：

线程中的所有操作都happen-before线程的终止检测。

8、对象创建的happen-before原则：

一个对象的初始化完成先于他的finalize方法调用。

如果两个操作不满足上述任意一个规则，那么这两个操作就没有顺序的保障，JVM可以对这两个操作进行重排序。

如果操作A happen-befor操作B，那么操作A在内存上所作的操作对操作B都是可见的。

示例：

private int value = 0;
public void write(int input){
  value = input;
}
public int red(){
  return value;
}

如果线程A执行write操作，线程B执行red操作，且线程A优先于线程B执行

结果：这段代码均不满足happen-befor的条件，不是线程安全

修改方法：满足2:加入volatile修饰符或者满足3:对操作加锁

Volatile：JVM提供的轻量级同步机制

保证被Volatile修饰的共享变量对所有线程总是可见的
禁止指令重排序优化

Volatile的可见性

被Volatile修饰的变量对所有线程总是立即可见的，对Volatile变量的所有写操作总是能立即反映到其他线程中。但是对Volatile的运算在多线程环境中并不保证安全性

例如：

public class VolatileVisibility {
  public static volatile int value = 0;
  
  public static void increace(){
    value++;
  }
}

value变量的任何改变都会立即反映到线程中，但如果多个线程同时调用increace()方法就会出现线程安全问题，value++不具备原子性。

Volatile为什么立即可见

当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的工作内存中的共享变量值刷新到主内存中。

当读取volatile变量时，JMM会把该线程对应的工作内存置为无效。

Volatile如何禁止重排优化

内存屏障（Memory Barrier）

是一个CPU指令，其作用有两个

保证特定操作的执行顺序
- 通过插入内存屏障指令禁止在内存屏障前后的指令执行重排序优化
保证某些变量的内存可见性
- 强制刷出各种CPU的缓存数据，因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

经典单例双重检测实现：

线程安全的单例写法：

public class Singleton {
    // 不安全
    // private static Singleton instance;
    // 加上volatile禁止指令重排序，才安全
    private volatile static Singleton instance;
    
    private Singleton(){}
    
    public static Singleton getInstance(){
        //第一次检测
        if(instance == null){
            //同步
            synchronized (Singleton.class){
                if(instance == null){
                 	//多线程环境下可能会出现问题的地方
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}