11、JMM和Volatile
面试中：请你谈谈对Volatile的理解：
Volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制
- 保证可见性（和JMM挂钩）
- 不保证原子性
- 禁止指令重排
什么是JMM：
JMM即为JAVA 内存模型（java memory model）。因为在不同的硬件生产商和不同的操作系统下，内存的访问逻辑有一定的差异，结果就是当你的代码在某个系统环境下运行良好，并且线程安全，但是换了个系统就出现各种问题。Java内存模型，就是为了屏蔽系统和硬件的差异，让一套代码在不同平台下能到达相同的访问结果。JMM从java 5开始的JSR-133发布后，已经成熟和完善起来。
关于JMM的一些同步约定：
- 线程解锁前，必须把共享变量立刻刷回主内存中
- 线程加锁前，必须读取主内存中的最新值到工作内存中
- 加锁和解锁是同一把锁
内存划分:
JMM规定了内存主要划分为主内存和工作内存两种。此处的主内存和工作内存跟JVM内存划分（堆、栈、方法区）是在不同的层次上进行的，如果非要对应起来，主内存对应的是Java堆中的对象实例部分，工作内存对应的是栈中的部分区域，从更底层的来说，主内存对应的是硬件的物理内存，工作内存对应的是寄存器和高速缓存。
内存交互8种操作：
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- lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态
- unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定
- read（读取）：作用于主内存变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用
- load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主存中变量放入工作内存中
- use（使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令
- assign（赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
- store（存储）：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write使用
- write（写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中
JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则：
- 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load，使用了store必须write
- 不允许线程丢弃他最近的assign操作，即工作变量的数据改变了之后，必须告知主存
- 不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存
- 一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施use、store操作之前，必须经过assign和load操作
- 一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后，必须执行相同次数的unlock才能解锁
- 如果对一个变量进行lock操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，必须重新load或assign操作初始化变量的值
- 如果一个变量没有被lock，就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量
- 对一个变量进行unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存
问题：
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代码如下：
public class TestJMM {
private static int num = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(()->{ //线程t1对主内存的变化不知道
while (num == 0){
}
},"t1").start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
num = 1;
System.out.println(num);
}
}
程序进入死循环；可以发现就算main线程将num的值改成了1，线程t1不会跳出死循环（即不能发现num被改变了）
于是main线程必须能够知道主线程的num发生了变化，才能避免上述问题：
这就是Volatile的第一个特点——保证可见性
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Volatile
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保证可见性
在变量num前添加关键字volatile
public class TestJMM {
//不加volatile程序就会死循环
//加volatile可以保证可见性
private volatile static int num = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(()->{
while (num == 0){
}
},"t1").start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
num = 1;
System.out.println(num);
}
}
可以发现当main线程将num的值改为1，t1线程立刻停止
-
不保证原子性
原子性：不可分割
线程A在执行任务的时候，不能被打扰的，也不能被分割。要么同时成功，要么同时失败。
//不保证原子性
public class TestVolatile {
//volatile不保证原子性
private volatile static int num = 0;
public static void add(){
num++;
}
public static void main(String[] args) {
for (int i = 1; i <= 20; i++) {
new Thread(()->{
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
add();
}
}).start();
}
//下面的while能够执行说明上面的跑完了
while (Thread.activeCount()>2){ //main 和 gc
Thread.yield();//线程礼让
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"->"+num);
}
}
结果：
main->19459
当然使用lock或者synchronized可以解决，如果不用lock或者synchronized怎么保证原子性
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使用原子类来解决volatile不能保证原子性的问题
所在包：java.util.concurrent.atomic
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public class TestVolatile {
//原子类的Integer
private volatile static AtomicInteger num = new AtomicInteger();//创建一个新的AtomicInteger，初始值为 0 。
public static void add(){
num.getAndIncrement(); //AtomicInteger的+1方法
}
public static void main(String[] args) {
for (int i = 1; i <= 20; i++) {
new Thread(()->{
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
add();
}
}).start();
}
//下面的while能够执行说明上面的跑完了
while (Thread.activeCount()>2){ //main 和 gc
Thread.yield();//线程礼让
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"->"+num);
}
}
结果：
main->20000
所以不通过lock或者synchronized，而通过原子类解决了volatile的不保证原子性问题
并且原子类的底层都直接和操作系统挂钩（效率极高），在内存中修改值！Unsafe类(原子类的底层)是一个很特殊的存在
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指令重排
什么是指令重排：写的程序，计算机并不一定按照写的顺序去执行。
源代码—>编译器优化的重排—>指令并行也可能重排—>内存系统也会重排—>执行
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处理器在进行指令重排的时候，会考虑数据之间的依赖性。
指令重排的例子：
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volatile可以避免指令重排
《深入理解Java虚拟机》中有一句话：“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”，lock前缀指令生成一个内存屏障。保证重排序后的指令不会越过内存屏障，即volatile之前的代码只会在volatile之前执行，volatile之后的代码只会在volatile之后执行。
内存屏障：CPU指令。作用：
- 保证特定操作的执行顺序
- 可以保证某些变量的内存可见性。（这个作用实现了volatile的可见性）
volatile是可以保持可见性。不能保证原子性，由于内存屏障，可以保证避免指令重排现象的产生
