Java学习笔记（Volatile关键字以及原子性）

JMM(Java Memory Model)概述：JMM(Java Memory Model)Java内存模型,是java虚拟机规范中所定义的一种内存模型。Java内存模型(Java Memory Model)描述了Java程序中各种变量(线程共享变量)的访问规则，以及在JVM中将变量存储到内存和从内存中读取变量这样的底层细节。所有的共享变量都存储于主内存。这里所说的变量指的是实例变量和类变量。不

派大星是个小码农

1050人浏览 · 2020-08-10 15:11:56

派大星是个小码农 · 2020-08-10 15:11:56 发布

JMM(Java Memory Model)

概述：JMM(Java Memory Model)Java内存模型,是java虚拟机规范中所定义的一种内存模型。

Java内存模型(Java Memory Model)描述了Java程序中各种变量(线程共享变量)的访问规则，以及在JVM中将变量存储到内存和从内存中读取变量这样的底层细节。

所有的共享变量都存储于主内存。这里所说的变量指的是实例变量和类变量。不包含局部变量，因为局部变量是线程私有的，因此不存在竞争问题。每一个线程还存在自己的工作内存，线程

的工作内存，保留了被线程使用的变量的工作副本。线程对变量的所有的操作(读，取)都必须在工作内存中完成，而不能直接读写主内存中的变量，不同线程之间也不能直接访问

对方工作内存中的变量，线程间变量的值的传递需要通过主内存完成。
在这里插入图片描述

问题引出

public class VolatileThread extends Thread {

    // 定义成员变量
    private boolean flag = false ;
    public boolean isFlag() { return flag;}

    @Override
    public void run() {

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 将flag的值更改为true
        this.flag = true ;
        System.out.println("flag=" + flag);

    }
}

public class VolatileThreadDemo {// 测试类
    
    public static void main(String[] args) {

        // 创建VolatileThread线程对象
        VolatileThread volatileThread = new VolatileThread() ;
        volatileThread.start();

        // main方法
        while(true) {
            if(volatileThread.isFlag()) {
                System.out.println("执行了======");
            }
        }
    }
}

在这里插入图片描述

VolatileThread线程从主内存读取到数据放入其对应的工作内存
将flag的值更改为true，但是这个时候flag的值还没有写会主内存
此时main方法读取到了flag的值为false
当VolatileThread线程将flag的值写回去后，但是main函数里面的while(true)调用的是系统比较底层的代码，速度快，快到没有时间再去读取主存中的值，

所以while(true)读取到的值一直是false。(如果有一个时刻main线程从主内存中读取到了主内存中flag的最新值，那么if语句就可以执行，main线程何时从主内存中读取最新的值，我们无法控制)

解决方法

加锁

public class VolatileThread extends Thread {

    // 定义成员变量
    private boolean flag = false ;
    public boolean isFlag() { return flag;}

    @Override
    public void run() {

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 将flag的值更改为true
        this.flag = true ;
        System.out.println("flag=" + flag);

    }
}

public class VolatileThreadDemo {// 测试类
    
    public static void main(String[] args) {

        // 创建VolatileThread线程对象
        VolatileThread volatileThread = new VolatileThread() ;
        volatileThread.start();

        // main方法
        while(true) {
            if(volatileThread.isFlag()) {
                System.out.println("执行了======");
            }
        }
    }
}

某一个线程进入synchronized代码块前后，执行过程入如下：

a.线程获得锁

b.清空工作内存

c.从主内存拷贝共享变量最新的值到工作内存成为副本

d.执行代码

e.将修改后的副本的值刷新回主内存中

f.线程释放锁

volatile关键字

private volatile boolean flag ;

原理
在这里插入图片描述

VolatileThread线程从主内存读取到数据放入其对应的工作内存
将flag的值更改为true，但是这个时候flag的值还没有写会主内存
此时main方法main方法读取到了flag的值为false
当VolatileThread线程将flag的值写回去后，失效其他线程对此变量副本
再次对flag进行操作的时候线程会从主内存读取最新的值，放入到工作内存中

总结： volatile保证不同线程对共享变量操作的可见性，也就是说一个线程修改了volatile修饰的变量，当修改写回主内存时，另外一个线程立即看到最新的值。

volatile与synchronized

volatile只能修饰实例变量和类变量，而synchronized可以修饰方法，以及代码块。
volatile保证数据的可见性，但是不保证原子性(多线程进行写操作，不保证线程安全);而synchronized是一种排他（互斥）的机制，

原子性概述

概述：所谓的原子性是指在一次操作或者多次操作中，要么所有的操作全部都得到了执行并且不会受到任何因素的干扰而中断，要么所有的操作都不执行。

引出问题：

public class VolatileAtomicThread implements Runnable {

    // 定义一个int类型的遍历
    private int count = 0 ;

    @Override
    public void run() {
        // 对该变量进行++操作，100次
        for(int x = 0 ; x < 100 ; x++) {
            count++ ;					
            System.out.println("count =========>>>> " + count);
        }
    }

}

public class VolatileAtomicThreadDemo {

    public static void main(String[] args) {

        // 创建VolatileAtomicThread对象
        VolatileAtomicThread volatileAtomicThread = new VolatileAtomicThread() ;

        // 开启100个线程对count进行++操作
        for(int x = 0 ; x < 100 ; x++) {
            new Thread(volatileAtomicThread).start();
        }
        
    }

}

执行结果：不保证一定是10000

问题原理说明

以上问题主要是发生在count++操作上：

count++操作包含3个步骤：

从主内存中读取数据到工作内存
对工作内存中的数据进行++操作
将工作内存中的数据写回到主内存

count++操作不是一个原子性操作，也就是说在某一个时刻对某一个操作的执行，有可能被其他的线程打断。

在这里插入图片描述

1）假设此时x的值是100，线程A需要对改变量进行自增1的操作，首先它需要从主内存中读取变量x的值。由于CPU的切换关系，此时CPU的执行权被切换到了B线程。A线程就处于就绪状态，B线程处于运行状态

2）线程B也需要从主内存中读取x变量的值,由于线程A没有对x值做任何修改因此此时B读取到的数据还是100

3）线程B工作内存中x执行了+1操作，但是未刷新之主内存中

4）此时CPU的执行权切换到了A线程上，由于此时线程B没有将工作内存中的数据刷新到主内存，因此A线程工作内存中的变量值还是100，没有失效。
A线程对工作内存中的数据进行了+1操作

5）线程B将101写入到主内存

6）线程A将101写入到主内存

虽然计算了2次，但是只对A进行了1次修改。

使用volatile关键字测试

定义一个int类型的变量
private volatile int count = 0
小结：在多线程环境下，volatile关键字可以保证共享数据的可见性，但是并不能保证对数据操作的原子性（在多线程环境下volatile修饰的变量也是线程不安全的）。在多线程环境下，要保证数据的安全性，我们还需要使用锁机制。

解决方法

使用锁机制
我们可以给count++操作添加锁，那么count++操作就是临界区的代码，临界区只能有一个线程去执行，所以count++就变成了原子操作。

public class VolatileAtomicThread implements Runnable {

    // 定义一个int类型的变量
    private volatile int count = 0 ;
    private static final Object obj = new Object();

    @Override
    public void run() {

        // 对该变量进行++操作，100次
        for(int x = 0 ; x < 100 ; x++) {
            synchronized (obj) {
                count++ ;
                System.out.println("count =========>>>> " + count);
            }
        }

    }

}

原子类
概述：java从JDK1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包(简称Atomic包)，这个包中的原子操作类提供了一种用法简单，性能高效，线程安全地更新一个变量的方式。

原子型Integer，可以实现原子更新操作

public AtomicInteger()：	   				初始化一个默认值为0的原子型Integer
public AtomicInteger(int initialValue)： 初始化一个指定值的原子型Integer

int get():   			 				 获取值
int getAndIncrement():      			 以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增前的值。
int incrementAndGet():     				 以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增后的值。
int addAndGet(int data):				 以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicInteger里的value）相加，并返回结果。
int getAndSet(int value):   			 以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

public class VolatileAtomicThread implements Runnable {

    // 定义一个int类型的变量
    private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger() ;

    @Override
    public void run() {

        // 对该变量进行++操作，100次
        for(int x = 0 ; x < 100 ; x++) {
            int i = atomicInteger.getAndIncrement();
            System.out.println("count =========>>>> " + i);
        }

    }

}

原子类CAS机制实现线程安全

CAS的全称是： Compare And Swap(比较再交换); 是现代CPU广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。CAS可以将read-modify-check-write
转换为原子操作，这个原子操作直接由处理器保证。
CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。