JMM(Java Memety Model) Java内存模型

首先了解一下JMM，JMM本身是一种抽象的概念，描述的是一组规范。

JMM关于同步的规范

1. 线程解锁前，必须把共享变量的值刷新回主线程；
2. 线程加锁前，必须把主内存的最新值读取到自己的工作内存；
3. 加锁解锁是同一把锁。

JMM要求

1. 可见性
2. 原子性
3. 有序性

有序性

有序性是指在单线程环境中, 程序是按序依次执行的。而在多线程环境中, 程序的执行可能因为指令重排而出现乱序。

知识点：

• 内存可见性
• 主存与线程之间内存的联系

volatile关键字

volatile是java提供的轻量级的同步机制。

• 保证可见性
• 不保证原子性
• 禁止指令重排

原子性

原子性就是说一个操作不可以被CPU中途暂停然后调度，即不能被中断，要不就执行完， 要不就不执行。 如果一个操作是原子性的，那么在多线程环境下，就不会出现变量被修改等奇怪的问题。

禁止指令重排

volatile实现禁止指令重排优化，从而避免多线程环境下程序出现乱序执行的现象。保证多线程间的语义一致性。

实现方法：使用CPU内存屏障（Memery Barrier），在指令中插入一条Memery Barrier指令，会告诉编译器和CPU，禁止重排。

也就是说，通过插入内存屏障禁止在内存屏障前后的指令执行重排序优化。

内存屏障的另一个作用就是强制刷新各种CPU的缓存数据，因此CPU上的任何线程都能读取到这些数据的最新版本。(可见性保证)

单例模式中，DCL双锁就使用了volatile防止多线程下指令被重排。

volatile的使用方式

（不做具体介绍）

为什么volatile不保证原子性？

CAS底层实现原理

关键词：unsafe

在volatile中，因为不保证原子性，所以在多线程下是不安全的，需要通过CAS实现原子性。

CAS：Compare and swap，比较并交换。

第一步，在线程从主存读取一个值 V=5 后，会暂存这个 V 为 A，称为旧的预期值，再将 A 进行修改，假设将 A + 1，这时候使用 B = A + 1进行修改，B称为更新值。

第二步将 B 这个值赋值给主存的V时，会先进行比较，如果主存中的这个V还==旧预期值A，那么说明这个V是没有被操作过的，那么就可以进行数值的更新 V=B；但是如果此时 V ≠ A，说明这个值已经被修改了，那么线程将会返回，重新执行 V+1的操作，直到这个过程成功。

这就是CAS的基本实现过程。

CAS源码实现

为什么CAS能实现原子性？靠的是底层的Unsafe类。

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

因为Java无法和操作系统底层进行交互，需要通过本地方法（native）来访问。Unsafe存在于sum.misc包中，其内部方法可以直接操作特定内存的数据，像C的指针一样直接操作内存。

注：Unsafe中所以方法都是native修饰的，也就是说Unsafe类中的方法都调用操作系统的底层资源执行相应任务。

变量valueOffset，表示该变量在内存中的偏移地址

CAS的功能判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则更改为新的值，这个过程是原子的。

同时，因为比较并交换是系统原语，所以不会造成数据不一致的现象。

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

CAS的缺点

• 如果一直不成功，会给CPU带来很大开销；
• 只能保证一个变量的原子性操作；
• 会引发BAB问题。

ABA问题

此时：主存中值为A，线程1和线程2取出A，线程2将A改为B并写回主存，然后又将B改为A写回主存，主存中的值由A->B->A，改变了两次，之后才线程1修改了A，将值传回主存，发现值没变，成功写入。

尽管线程1操作成功，但这个过程也是存在问题的。

如何解决ABA问题？

带时间戳的原子引用