[Java知识库]Java内存模型和Volatile关键字

一、什么是Java内存模型

??Java内存模型(Java Memory Model，简称JMM)。在了解Java内存模型之前我们要先知道计算机的内存机制，现在大多数计算机都是多核CPU，每个CPU上都可以执行线程，而线程使用的数据都是储存在内存中，所以我们就需要从内存中去读取数据，但是这个过程对计算机来说是一个很慢很慢的的过程，而CPU处理指令的速度却是很快的，所以为了解决这两者之间速度的问题，就引入了高速缓存的概念，高速缓存分为L1、L2、L3多级，详细的看下图。

??其中越靠近CPU的结构读取速度就越快，但是，储存能力也越弱。所以正常CPU在使用数据时，会先从内存中读取数据副本放到缓存中，然后CPU执行完毕后再把数据放回到内存中。而Java的内存模型和计算的设计有异曲同工之妙，我们看下图：

??我们对比两张图就可以看出，Java内存模型的工作内存是每个线程独有的，大概相当于物理机中的多级缓存，其中储存的是对应线程使用的共享数据副本，而主内存是所有线程共享的，用来储存线程共同使用的共享数据。

??整个 Java 内存模型的架构只是 Java 中的一个模型概念，无法与计算机中的物理硬件直接对应，工作内存也是是一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化，但是可以粗略类比：

1. 从物理机的角度看，可以将工作内存对标到 CPU 的高速缓存，将主内存对标到我们的计算机内存条
2. 从 JVM 的角度看，可以将工作内存对标到 JVM 栈，将主内存对标到 JVM 中的堆

Java内存模型带来的问题

??Java 内存模型引入了主内存的概念，这虽然解决了多 CPU 共享数据的问题，但也带来了“工作内存与主内存数据一致性”的问题。

原子性

??因为引入主内存的原因，我们代码执行不是原子性的问题就暴露出来了。我们的一段代码在计算机执行时会换成一条一条的指令，指令的执行不是原子的，意思就是在执行一个指令和另一个指令的中间，可能会扦插执行其他的指令，这样导致的后果就是代码执行的结果可能与我们预期的结果不一样。我们以下面的例子来说明：

??线程1和线程2读取到数据后，都对数据进行了加1操作，但是由于加1操作不是原子性的，所以线程2也可以进行加1操作，最终结果count = 1与我们预期的就会有区别。一般为了解决这个问题我们可以使用synchronized的关键字，对代码上锁，来保证操作的原子性。

内存可见性

??可见性是是站在工作内存的角度来说的，因为每个线程都有一个专属的工作内存，互相之间不影响，只能从主内存中读取数据，这就会导致可见性问题。比如线程1对数据进行了修改，但是在修改之后没有立刻把数据更新到主内存中，这时其他线程就获取不到数据的最新值，从而也会导致代码执行结果与预期出现差异。为了保证内存可见性我们可以使用Volatile关键字或者是Synchronized关键字。

指令重排序

??我们写的代码在经过编译器时，会被翻译成一条条指令让计算机执行，这时计算机可能会对指令执行的顺序做出修改。再后续CPU 执行命令的过程中以及读写缓冲区的过程中，也都有可能出现重排序的问题，这也被称为“编译重排序”“指令重排序”和“内存重排序”。

??但是无论怎样进行重排序优化，系统都会保证 as-if-serial 的语义，其具体含义是程序在单线程运行环境下得到的结果是正确的，言外之意也就是说在多线程中不能保证运行结果肯定是正确的。为了实现 as-if-serial 语义，在各个阶段的重排序优化中，不能对有数据依赖的操作进行重排序，因为有数据依赖的指令重排序之后，就会导致错误的运行结果。为了不让指令重排序我们可以使用Volatile关键字或者是Synchronized关键字。

二、Volatile关键字

??前面我们反复提到了Volatile和Synchronized两个词，一般我们认为Synchronized更常用一些，因为它的功能更强大，但是使用代价也更大。而Volatile使用会更少一些，但是却更轻量。所以正确合理地使用volatile 关键字，会比 synchronized 等加锁实现方式的成本更低，这主要是因为 volatile 不会引起线程上下文的切换。

Volatile的作用

1. 可以保证被Volatile修饰的变量的读操作具有原子性：我们这里的原子性是指的单一操作，不能保证复杂操作的原子性，像i++这样的操作就设计一次读和一次写操作，在有些机器上，由于硬件设计原因，读取一个64位的变量时，会分两步来读取，先读低32位，再读高32位，这就可能在线程1读取低32位时，其他线程修改了高32位的数据，从而导致一个不合法的数据出现，所以这时就可以用Volatile关键字来修饰这个变量。
2. 可以保证内存可见性：被Volatile关键字修饰的变量，读操作会从内存中读取到最新的值，写操作会立刻写入内存中。
3. 可以保证不发生指令重排序：被Volatile关键字修饰的变量在读写操作时不会发生重排序。

Volatile怎么实现的

可见性

首先，在写入 volatile 变量的时候，JVM 会向 CPU 发送 Lock 指令，Lock 指令有两个效果：

• 将当前工作内存中的数据写回到主内存中
• 写回操作涉及的数据会引起其他 CPU 核中缓存了该内存地址的数据无效（这主要是依靠 CPU 的嗅探功能实现的）

正是由于所有 CPU 核对 volatile 变量的缓存失效，后续对 volatile 变量的读取全部都会从主内存中读取最新版本的值

重排序

在 JVM 编译代码的时候，会对 volatile 变量做如下处理：

• 在每个 volatile 变量的写操作之前，插入一个 StoreStore 内存屏障：禁止 StoreStore 之前的普通读/写操作与 StoreStore 之后的 volatile 写进行重排序。
• 在每个 volatile 变量的写操作之后，插入一个 StoreLoad 内存屏障：禁止 StoreLoad 之前的 volatile 写操作与 StoreLoad 之后可能出现的 volatile 读/写操作进行重排序
• 在每个 volatile 变量的读操作之后，插入一个 LoadLoad 内存屏障：禁止 LoadLoad 之前的 volatile 读操作与 LoadLoad 之后的普通读操作进行重排序
• 在每个 volatile 变量的读操作之后，插入一个 LoadStore 内存屏障：禁止 LoadStore 之前的 volatile 读操作与 LoadStore 之后的普通写操作进行重排序

总结

Java内存模型引入了主内存和工作内存的概念，模拟了物理机的内存机制，有效的提高了代码的执行效率，但是也因此引入的原子性、内存可见性和指令重排序的一些问题。在后续解决问题的时，Volatile只能解决可见性和重排序问题，并不能解决原子性问题。