（超详解）JVM-JMM内存模型
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了（超详解）JVM-JMM内存模型相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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JVM-JMM内存模型
本文章参考：黑马程序员JVM
- 很多人将【java 内存结构】与【java 内存模型】傻傻分不清，【java 内存模型】是 Java Memory Model（JMM）的意思。
- 简单的说，JMM 定义了一套在多线程读写共享数据时（成员变量、数组）时，对数据的可见性、有序性、和原子性的规则和保障
1. 原子性
1-1 问题解析
提出问题：两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？
public class Demo1 {
static int i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 50000; j++) {
i++;
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 50000; j++) {
i--;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
}
}
以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作。
例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 加法
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而对应 i-- 也是类似：
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 减法
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和线程内存中进行数据交换：
如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：
// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=1
iconst_1 // 线程1-准备常量1
isub // 线程1-自减 线程内i=0
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=0
但多线程下这 8 行代码可能交错运行（为什么会交错？思考一下）： 出现负数的情况：
// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
iconst_1 // 线程2-准备常量1
isub // 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1
出现正数的情况：
// 假设i的初始值为0
getstatic i // 线程1-获取静态变量i的值 线程内i=0
getstatic i // 线程2-获取静态变量i的值 线程内i=0
iconst_1 // 线程1-准备常量1
iadd // 线程1-自增 线程内i=1
iconst_1 // 线程2-准备常量1
isub // 线程2-自减 线程内i=-1
putstatic i // 线程2-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=-1
putstatic i // 线程1-将修改后的值存入静态变量i 静态变量i=1
1-2 解决方法
（1）synchronized（同步关键字）
语法：
synchronized( 对象 ) {
要作为原子操作代码
}
用 synchronized 解决并发问题：
public class Demo1 {
static int i = 0;
static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 50000; j++) {
synchronized (obj) {
i++;
}
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 50000; j++) {
synchronized (obj) {
i--;
}
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);//输出为0
}
}
为什么需要这里的
obj对象呢？
我们可以这样理解：可以把 obj 想象成一个房间，线程 t1，t2 想象成两个人。
当线程 t1 执行到 synchronized(obj) 时就好比 t1 进入了这个房间，并反手锁住了门，在门内执行 count++ 代码。
这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(obj) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待。
当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会解开门上的锁，从 obj 房间出来。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，反锁住门，执行它的 count-- 代码。
怎么从JVM角度理解呢？（这里引用《Java并发编程的艺术》里的一段话）
从JVM规范中可以看到Synchonized在JVM里的实现原理，JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter 和monitorexit指令实现的。 monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter 指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。
2.可见性
2-1 退不出的循环
先来看一个现象，main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见，导致了 t 线程无法停止：
static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(()->{
while(run){
// ....
}
});
t.start();
Thread.sleep(1000);
run = false; // 线程t不会如预想的停下来
}
为什么会这样？
-
初始状态， t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存。
-
因为 t 线程要频繁从主内存中读取 run 的值，JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中，减少对主存中 run 的访问，提高效率
-
1 秒之后，main 线程修改了 run 的值，并同步至主存，而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量的值，结果永远是旧值
2-2 解决办法
（1）volatile（易变关键字）
它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存，保证了共享变量的可见性，但不能保证原子性
public class Demo1 {
volatile static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t = new Thread(() -> {
while (run) {
// ....
}
});
t.start();
Thread.sleep(1000);
run = false; // 线程t不会如预想的停下来
}
}
注意：
synchronized语句块既可以保证代码块的原子性，也同时保证代码块内变量的可见性。但 缺点是synchronized是属于重量级操作，性能相对更低如果在前面示例的死循环中加入
System.out.println()会发现即使不加 volatile 修饰符，线程 t 也 能正确看到对 run 变量的修改了，想一想为什么？
进入println源码：
public void println(int x) {
synchronized (this) {
print(x);
newLine();
}
}
可以看出加了synchronized，保证了每次run变量都会从主存中获取
3.有序性
3-1 诡异的结果
看下面一个栗子：
int num = 0;
boolean ready = false;
// 线程1 执行此方法
public void actor1(I_Result r) {
if(ready) {
r.r1 = num + num;
} else {
r.r1 = 1;
}
}
// 线程2 执行此方法
public void actor2(I_Result r) {
num = 2;
ready = true;
}
看到这里可能聪明的小伙伴会想到有下面三种情况：
情况1：线程1 先执行，这时 ready = false，所以进入 else 分支结果为 1
情况2：线程2 先执行 num = 2，但没来得及执行 ready = true，线程1 执行，还是进入 else 分支，结果为1
情况3：线程2 执行到 ready = true，线程1 执行，这回进入 if 分支，结果为 4（因为 num 已经执行过了）
但其实还有可能为0哦！😲
有可能还是：线程 2 执行 ready=true ，切换到线程1 ，进入if分支，相加为0，在切回线程 2 执行 num=2
这种现象就是指令重排
3-2 解决方法
volatile 修饰的变量，可以禁用指令重排
@JCStressTest
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ok")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "!!!!")
@State
public class ConcurrencyTest {
int num = 0;
volatile boolean ready = false;//可以禁用指令重排
@Actor
public void actor1(I_Result r) {
if(ready) {
r.r1 = num + num;
} else {
r.r1 = 1;
}
}
@Actor
public void actor2(I_Result r) {
num = 2;
ready = true;
}
}
3-3 有序性理解
同一线程内，JVM会在不影响正确性的前提下，可以调整语句的执行顺序，看看下面的代码：
static int i;
static int j;
// 在某个线程内执行如下赋值操作
i = ...; // 较为耗时的操作
j = ...;
可以看到，至于是先执行 i 还是 先执行 j ，对最终的结果不会产生影响。所以，上面代码真正执行时， 既可以是
i = ...; // 较为耗时的操作
j = ...;
也可以是
j = ...;
i = ...; // 较为耗时的操作
这种特性称之为指令重排，多线程下指令重排会影响正确性，例如著名的 double-checked locking 模式实现单例
public class Singleton {
private Singleton() {
}
private static Singleton INSTANCE = null;
public static Singleton getInstance() {
//实例没创建，才会进入内部的 synchronized 代码块
if (INSTANCE == null) {
//可能第一个线程在synchronized 代码块还没创建完对象时，第二个线程已经到了这一步，所以里面还需要加上判断
synchronized (Singleton.class) {
//也许有其他线程已经创建实例，所以再判断一次
if (INSTANCE == null) {
INSTANCE = new Singleton();
}
}
}
return INSTANCE;
}
}
以上的实现特点是：
- 懒惰实例化
- 首次使用 getInstance() 才使用 synchronized 加锁，后续使用时无需加锁
上面的代码看似已经很完美了，但是在多线程环境下还是会有指令重排问题！
INSTANCE = new Singleton() 对应的字节码为：
0: new #2 // class cn/itcast/jvm/t4/Singleton
3: dup
4: invokespecial #3 // Method "<init>":()V
7: putstatic #4 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/jvm/t4/Singleton;
其中4 7 两步顺序不是固定的，也许 jvm 会优化为：先将引用地址赋值给 INSTANCE 变量后，再执行构造方法，如果两个线程 t1,t2 按如下时间顺序执行：
时间1 t1 线程执行到 INSTANCE = new Singleton();
时间2 t1 线程分配空间，为Singleton对象生成了引用地址（0 处）
时间3 t1 线程将引用地址赋值给 INSTANCE，这时 INSTANCE != null（7 处）
时间4 t2 线程进入getInstance() 方法，发现 INSTANCE != null（synchronized块外），直接
返回 INSTANCE
时间5 t1 线程执行Singleton的构造方法（4 处）
这时 t1 还未完全将构造方法执行完毕，如果在构造方法中要执行很多初始化操作，那么 t2 拿到的是将 是一个未初始化完毕的单例
对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可，可以禁用指令重排，但要注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才 会真正有效
3-4 happens-before
happens-before 规定了哪些写操作对其它线程的读操作可见，它是可见性与有序性的一套规则总结，抛开以下 happens-before 规则，JMM 并不能保证一个线程对共享变量的写，对于其它线程对该共享变量的读可见
-
线程解锁 m 之前对变量的写，对于接下来对 m 加锁的其它线程对该变量的读可见
static int x; static Object m = new Object(); new Thread(()->{ synchronized(m) { x = 10; } },"t1").start(); new Thread(()->{ synchronized(m) { System.out.println(x); } },"t2").start() -
线程对 volatile 变量的写，对接下来其它线程对该变量的读可见
volatile static int x; new Thread(()->{ x = 10; },"t1").start(); new Thread(()->{ System.out.println(x); },"t2").start(); -
线程 start 前对变量的写，对该线程开始后对该变量的读可见
static int x; x = 10; new Thread(()->{ System.out.println(x); },"t2").start(); -
线程结束前对变量的写，对其它线程得知它结束后的读可见（比如其它线程调用
t1.isAlive()或t1.join()等待它结束）static int x; Thread t1 = new Thread(()->{ x = 10; },"t1"); t1.start(); t1.join(); System.out.println(x); -
线程 t1 打断 t2（interrupt）前对变量的写，对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见（通 过
t2.interrupted或t2.isInterrupted）static int x; public static void main(String[] args) { Thread t2 = new Thread(()->{ while(true) { if(Thread.currentThread().isInterrupted()) { System.out.println(x);//0 break; } } },"t2"); t2.start(); new Thread(()->{ try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } x = 10; t2.interrupt(); },"t1").start(); while(!t2.isInterrupted()) { Thread.yield(); } System.out.println(x);//0 } -
对变量默认值（0，false，null）的写，对其它线程对该变量的读可见
-
具有传递性，如果
x hb-> y并且y hb-> z那么有x hb-> z
以上变量都是指共享变量即成员变量或静态资源变量
4.CAS与原子类
4-1 CAS
CAS 即 Compare and Swap ，它体现的一种乐观锁的思想
比如多个线程要对一个共享的整型变量执行 +1 操作：
// 需要不断尝试
while(true) {
int 旧值 = 共享变量 ; // 比如拿到了当前值 0
int 结果 = 旧值 + 1; // 在旧值 0 的基础上增加 1 ，正确结果是 1
/*
这时候如果别的线程把共享变量改成了 5，本线程的正确结果 1 就作废了，这时候
compareAndSwap 返回 false，重新尝试，直到：
compareAndSwap 返回 true，表示我本线程做修改的同时，别的线程没有干扰
*/
if( compareAndSwap ( 旧值, 结果 )) {
// 成功，退出循环
}
//不一样，继续循环尝试
}
获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于竞争不激烈、多核 CPU 的场景下。
- 因为没有使用
synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一 - 但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响
CAS 底层依赖于一个 Unsafe 类来直接调用操作系统底层的 CAS 指令，下面是直接使用 Unsafe 对象进行线程安全保护的一个例子：
public class TestCAS {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
DataContainer dc = new DataContainer();
int count = 5;
Thread t = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < count; i++) {
dc.increase();
}
});
t.start();
t.join();
System.out.println(dc.getData());
}
}
class DataContainer {
private volatile int data;
static final Unsafe unsafe;
static final long DATA_OFFSET;
static {
try {
以上是关于（超详解）JVM-JMM内存模型的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
14.VisualVM使用详解15.VisualVM堆查看器使用的内存不足19.class文件--文件结构--魔数20.文件结构--常量池21.文件结构访问标志（2个字节）22.类加载机制概(代码片段