JMM同步规范和Volatile重点概要

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2022-11-21 01:02 213阅读 0赞

### 背景 ###

JMM称为java内存模型，用于规范线程之间的数据共享问题，出现此模型的原因和硬件的发展有关。

早期的单核cpu下不会存在该问题，后来多核cpu和cpu多重缓存机制加快了数据的读写，但是也产生了不同步问题。

**JMM之后通过cpu的总线机制优化了这个情况，该总线是主内存和CPU缓存之间的一个过渡区，可以通知各个线程变量变化。加了Volatile的变量可以被总线监视。**

### 过程 ###

如图A所示：

假如某个CPU有两个核心，每个核心执行一个线程，硬件角度上他们两个是不同的寄存器，但是却共享主内存的同一个变量。

刚开始两者都读取同一个变量到自己的线程内（自己的寄存器内），产生各自的一个副本变量，之后线程B修改false变量，此时若变量为**一般变量**，则不会触发cpu总线机制。

若此时一个**Volatile变量**发生了变化，总线机制会通过MIES修改变量的信息。

MEIS是缓存一致性，是CPU用来通知线程缓存变化的一种手段，四个字母表示四种状态，从字节级别进行标识变量。

M（Modified）：数据被修改了，属于有效状态，但是数据只处于本Cache，和内存不一致。
    
    E（Exclusive）：数据独占，属于有效状态，数据仅在本Cache，和内存一致。
    
    S（Shared）：数据非独占，属于有效状态，数据存于多个Cache，和内存一致。
    
    I（Invalid）：数据无效。

简单来说 ，当关键变量只被一个线程读取时，他的状态是E独享，此时根本不会出现缓存不一致现象，但如果此时又被另外一个线程读取了，总线会通知拥有此线程将此变量的头信息进行修改，标识变成了S，此时如果线程再修改自己寄存器内的变量，由于此时标识是S，则会通知总线，总线再通知将所有拥有此变量的头信息标识改为M，此时其他线程就得知这个变量被修改了，就从主内存中重新刷新数据到自己的线程里，此时标识又会从M改为S。

至于Volatile，打断点可以得知此处是通过C++的Lock机制通知系统底层提示总线进行操作。

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图A

### Volatile不能保证原子性 ###

传统情况下，一个线程写，多个线程读，写线程的操作会通过MEIS协议告知其他线程刷新值，所以不会出现问题。

但是如果是多线程下，线程A操作完数据并将值刷新到主内存，此时线程B恰好也完成操作，此时却被总线通知要重新读取，结果就会抛弃之前的计算结果，重新读取旧值，又由于缺少CAS的重试，导致之前的操作没有重新再执行，所以1000次累加计算中，总会有几次操作被撤销导致数据丢失。

### Volatile的重排序和内存屏障 ###

在多线程环境下，如果一个变量要被多个线程共享，进行写操作时，可能会发生A线程先处理完，之后B再处理，但是A还没有刷新到主内存中，B读取脏数据，成了这样是不符合预期情况的，称为重排序问题。

简单来说就是多个线程将预期的顺序打乱了，会出现预料之外的结果。

加了Volatile的关键字会让CPU把数据及时刷新到主内存中，防止B读取数据时是脏数据，称为内存屏障，这点和事务的脏读有点像。

### Volatile导致的重排序和和双层检验锁 ###

new 一个对象的操作实际上是三步：

1.分配对象的内存空间

2.调用构造函数初始化

3.将对象赋值给变量

在多线程环境下，重排序可能会产生对象多次初始化操作。

如：单例双层检验锁中的成员变量若没有Volatile，多线程环境下可能会发生重排序问题导致线程A还没有执行第三步，线程B却又进入到锁中并通过了if又准备执行一遍初始化。

### Volatile导致效率变低的原因和伪共享问题 ###

首先确定一个空的java对象在64位环境下占据6个字节，头结点8个字节，，AbstractPaddingObject自动填充字节为8的倍数，可以提高一些性能。

多线程下，一个写线程，多个读线程，因为读线程每次都要从主内存刷新，所以效率降低了一部分。

伪共享问题一般只有在主内存变量加上了Volatile关键字，对另外的线程及时可见，另外线程读取时会以64字节缓存行读取，若没有Volatile则不会出现以64字节行读取主内存。

参考：蚂蚁课堂

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