Java内存模型
一、Java内存模型与运行时数据区的区别
Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。
Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干不同数据区域。 （运行时数据区域）
这里所讲的主内存、工作内存与Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一层次的内存划分，这两者基本上是没有关系的。如果两者一定要勉强对应起来，从变量、主内存、工作内存的定义看，主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分[1] ，而工作内存则对应了虚拟机栈中部分区域。
[1]除了实例数据，Java堆还保存了对象的其他信息，对于HotSpot虚拟机来讲，有Mark Word（存储对象哈希码、GC标志、GC年龄、同步锁等信息）、Klass Point（指向存储类型元数据的指针）及一些用于字节对齐补白的填充数据（如果实例数据刚好满足8字节对齐的话，则可以不存在补白）。
二、Java内存模型(JMM)
JMM规定所有变量都是存在主存中的，每个线程又包含自己的工作内存，方便理解就可以看成CPU上的寄存器或者高速缓存。所以线程的操作都是以工作内存为主，它们只能访问自己的工作内存，且工作前后都要把值在同步回主内存。
jmm模型
在线程执行时，首先会从主存中read变量值，再load到工作内存中的副本中，然后再传给处理器执行，执行完毕后再给工作内存中的副本赋值，随后工作内存再把值传回给主存，主存中的值才更新。JMM主要就是围绕着如何在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的，通过解决这三个问题，可以解除缓存不一致的问题。而volatile跟可见性和有序性都有关。
1. 原子性(Atomicity)
Java中，对基本数据类型的读取和赋值操作是原子性操作，所谓原子性操作就是指这些操作是不可中断的，要做一定做完，要么就没有执行。
i = 2;
j = i;
i++;
i = i + 1;
上面4个操作中，i=2是读取操作，必定是原子性操作，j=i你以为是原子性操作，其实吧，分为两步，一是读取i的值，然后再赋值给j,这就是2步操作了，称不上原子操作，i++和i = i + 1其实是等效的，读取i的值，加1，再写回主存，那就是3步操作了。只有简单的读取，赋值是原子操作，还只能是用数字赋值，用变量的话还多了一步读取变量值的操作。 JMM只实现了基本的原子性，像上面i++那样的操作，必须借助于synchronized和Lock来保证整块代码的原子性了。线程在释放锁之前，必然会把i的值刷回到主存的。
2. 可见性(Visibility)
说到可见性，Java就是利用volatile来提供可见性的。 当一个变量被volatile修饰时，那么对它的修改会立刻刷新到主存，当其它线程需要读取该变量时，会去内存中读取新值。而普通变量则不能保证这一点。 其实通过synchronized和Lock也能够保证可见性，线程在释放锁之前，会把共享变量值都刷回主存，但是synchronized和Lock的开销都更大。
3. 有序性(Ordering)
JMM是允许编译器和处理器对指令重排序的,但是要求不管怎么进行重排序，程序的执行结果不能改变
double pi = 3.14; //A
double r = 1; //B
double s= pi * r * r;//C
编译器可以随意交换A B的执行顺序而不影响到单线程的执行结果，但是在多线程中容易出现问题
int a = 0;
bool flag = false;
public void write() {
a = 2; //1
flag = true; //2
}
public void multiply() {
if (flag) { //3
int ret = a * a;//4
}
}
加入有两个线程分别执行上述两个方法，线程1执行write方法，线程2执行multiplay方法，最后ret的值是不能确定的，有一种可能如下
重排序.jpg
write方法里的1和2做了重排序，线程1先对flag赋值为true，随后执行到线程2，ret直接计算出结果，再到线程1，这时候a才赋值为2,很明显迟了一步。 这时候可以为flag加上volatile关键字，禁止重排序，可以确保程序的有序性，也可以上重量级的synchronized和Lock来保证有序性,它们能保证那一块区域里的代码都是一次性执行完毕的。
JMM定义的程序执行规则
JMM具备一些先天的有序性,即不需要通过任何手段就可以保证的有序性，通常称为happens-before原则。
1. 程序顺序规则：
一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作
2. 监视器锁规则：
对一个线程的解锁，happens-before于随后对这个线程的加锁
3. volatile变量规则：
对一个volatile域的写，happens-before于后续对这个volatile域的读
4.传递性：
如果A happens-before B ,且 B happens-before C, 那么 A happens-before C
5.start()规则：
如果线程A执行操作ThreadB_start()(启动线程B) , 那么A线程的ThreadB_start()happens-before 于B中的任意操作
6.join()原则：
如果A执行ThreadB.join()并且成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。
7.interrupt()原则：
对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测是否有中断发生
8.finalize()原则：
一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize()方法的开始
Volatile关键字如何满足并发编程的三大特性
volatile变量规则： 对一个volatile域的写，happens-before于后续对这个volatile域的读。其实就是如果一个变量声明成是volatile的，那么当我读变量时，总是能读到它的最新值，这里最新值是指不管其它哪个线程对该变量做了写操作，都会立刻被更新到主存里，我也能从主存里读到这个刚写入的值。也就是说volatile关键字可以保证可见性以及有序性。将上述代码修改为
int a = 0;
//加入volatile关键字
volatile bool flag = false;
public void write() {
a = 2; //1
flag = true; //2
}
public void multiply() {
if (flag) { //3
int ret = a * a;//4
}
}
那么线程1先执行write,线程2再执行multiply。根据happens-before原则，这个过程会满足以下3类规则： 程序顺序规则：1 happens-before 2; 3 happens-before 4; (volatile限制了指令重排序，所以1 在2 之前执行) **volatile规则：2 happens-before 3 **传递性规则：1 happens-before 4 当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存 当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效，线程接下来将从主内存中读取共享变量。
volatile不可保证原子性
要是说能保证，也只是对单个volatile变量的读/写具有原子性，但是对于类似volatile++这样的复合操作就无能为力了，比如下面的例子：
public class Test {
public volatile int inc = 0;
public void increase() {
inc++;
}
public static void main(String[] args) {
final Test test = new Test();
for(int i=0;i<10;i++){
new Thread(){
public void run() {
for(int j=0;j<1000;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
}
按道理来说结果是10000，但是运行下很可能是个小于10000的值。有人可能会说volatile不是保证了可见性啊，一个线程对inc的修改，另外一个线程应该立刻看到啊！可是这里的操作inc++是个复合操作啊，包括读取inc的值，对其自增，然后再写回主存。 假设线程A，读取了inc的值为10，这时候被阻塞了，因为没有对变量进行修改，触发不了volatile规则。 线程B此时也读读inc的值，主存里inc的值依旧为10，做自增，然后立刻就被写回主存了，为11。 此时又轮到线程A执行，由于工作内存里保存的是10，所以继续做自增，再写回主存，11又被写了一遍。所以虽然两个线程执行了两次increase()，结果却只加了一次。 有人说，volatile不是会使缓存行无效的吗？但是这里线程A读取到线程B也进行操作之前，并没有修改inc值，所以线程B读取的时候，还是读的10。 又有人说，线程B将11写回主存，不会把线程A的缓存行设为无效吗？但是线程A的读取操作已经做过了啊，只有在做读取操作时，发现自己缓存行无效，才会去读主存的值，所以这里线程A只能继续做自增了。 综上所述，在这种复合操作的情景下，原子性的功能是维持不了了。但是volatile在上面那种设置flag值的例子里，由于对flag的读/写操作都是单步的，所以还是能保证原子性的。要想保证原子性，只能借助于synchronized,Lock以及并发包下的atomic的原子操作类了，即对基本数据类型的 自增（加1操作），自减（减1操作）、以及加法操作（加一个数），减法操作（减一个数）进行了封装，保证这些操作是原子性操作。
Volatile的底层实现机制
如果把加入volatile关键字的代码和未加入volatile关键字的代码都生成汇编代码，会发现加入volatile关键字的代码会多出一个lock前缀指令。 lock前缀指令实际相当于一个内存屏障，内存屏障提供了以下功能： 1.重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置 2.使得本CPU的Cache写入内存 3.写入动作也会引起别的CPU或者别的内核无效化其Cache，相当于让新写入的值对别的线程可见。
使用volatile的例子
1. 状态量标记，如上面对flag的标记
int a = 0;
volatile bool flag = false;
public void write() {
a = 2; //1
flag = true; //2
}
public void multiply() {
if (flag) { //3
int ret = a * a;//4
}
}
这种对变量的读写操作，标记为volatile可以保证修改对线程立刻可见。比synchronized,Lock有一定的效率提升。
2. 单例模式的实现，典型的双重检查锁定
class Singleton{
private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if(instance==null) {
synchronized (Singleton.class) {
if(instance==null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
这是一种懒汉的单例模式，使用时才创建对象，而且为了避免初始化操作的指令重排序，给instance加上了volatile。
