细说java多线程之内存可见性

共享变量在线程间的可见性

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，那么这个变量就是几个线程的共享变量。

Java内存模型（JMM）

java内存模型（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变量这样的底层细节。

所有的变量都存储在主内存中
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）

两条规定：

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
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。

共享变量可见性实现的原理

线程1对共享变量的修改要想被线程2及时看到，必须要经过如下2个步骤：

把工作内存1中更新过的共享变量刷新到主内存中
将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中

synchronized实现可见性

synchronized 能够实现：
原子性（同步）
可见性
原子性和可见性 JMM关于synchronized的两条规定:

线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中
线程加锁前，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（注意：加锁和解锁需要是同一把锁）

线程解锁前对共享变量的修改在下次加锁时对其他线程可见

线程执行互斥代码的过程:

获得互斥锁
清空工作内存
从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存
执行代码
将更改后的共享变量的值刷新到主内存
释放互斥锁

指令重排序

重排序:代码书写的顺序与实际执行的顺序不同，指令重排序时编译器或处理器为了提高程序性能能做的优化。

编译器优化的重排序（编译器优化）
指令集并行重排序（处理器优化）
内存系统的重排序（处理器优化）

as-if-serial语义

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在单线程下遵守as-if-serial语义）

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 = true;                           //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的值为：" + 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{
                //构造方法中传入false，执行读操作
                read();
            }
        }
    }

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

可见性分析:

//共享变量
    private boolean ready = false;
    private int result = 0;
    private int number = 1;   
    //写操作
    public void write(){
        ready = true;                           //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的值为：" + result);
    }

其中一种可能执行顺序: 1.2 --> 2.1 --> 2.2 --> 1.1 result = 0;

可见性分析:导致共享变量在线程间不可见的原因:

线程的交叉执行
重排序结合线程交叉执行
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

synchronized解决方案: synchronized实际是实现的一种锁的机制,在一段操作和内存进行加锁，同一时刻只有一个线程才能进入锁内，锁内无论怎么重排序执行结果都是一样的。
synchronized同时可以保证可见性

volatile实现可见性

volatile关键字: 能够保证volatile变量的可见性不能保证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。

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
对volatile变量执行读操作时，会在读操作前加入一条load屏障指令

通俗地讲: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，而当该变量发生变化时，又会强迫线程将最近的值刷新到主内存。这样任何时刻，不同线程总能看到该变量的最新值。 volatile不能保证volatile变量复合操作的原子性:

private int number = 0;
number ++; 不是原子操作
读取number的值
将number的值加1
写入最新的number的值

通过加入synchronized，变为原子操作. synchronized(){ number ++; } private volatile int number = 0; 变为volatile变量，无法保证原子性。实例代码VolatileDemo:

public class VolatileDemo {

    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private volatile int number = 0;

    public int getNumber(){
        return this.number;
    }

    public void increase(){
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        this.number++;
    }

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        final VolatileDemo volDemo = new VolatileDemo();
        for(int i = 0 ; i < 500 ; i++){
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    volDemo.increase();
                }
            }).start();
        }

        //如果还有子线程在运行，主线程就让出CPU资源，
        //直到所有的子线程都运行完了，主线程再继续往下执行
        while(Thread.activeCount() > 1){
            Thread.yield();
        }

        System.out.println("number : " + volDemo.getNumber());
    }

}

运行结果： 492，486,492,492,495 解决方案: 保证number自增操作的原子性:

使用synchronized关键字
使用ReentrantLock
使用AtomicInteger 后边两个都在java.util.concurrent包下。
```
try {
  this.number++;
} finally {
  lock.unlock();
}
```

volatile使用注意事项

要在多线程中安全的使用volatile变量，必须同时满足:

对变量的写入操作不依赖其当前值不满足:number++、count = count*5 等满足 : boolean 变量、记录温度变化的变量等
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

synchronized和volatile比较

volatile 不需要加锁，比synchronized更轻量级，不会阻塞线程。
从内存可见性角度，volatile读相当于加锁，volatile写相当于解锁
synchronized既能保证可见性，又能保证原子性，而volatile只能保证可见性，无法保证原子性。

来自慕课网