Java 内存模型JMM

参考：

java内存模型

JMM(Java memory model)：通俗地讲，就是描述Java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。

结合上图，先介绍几个概念：

主内存：保存了所有的变量。
共享变量：如果一个变量被多个线程使用，那么这个变量会在每个线程的工作内存中保有一个副本，这种变量就是共享变量。
工作内存：每个线程都有自己的工作内存，线程独享，保存了线程用到了变量的副本（主内存共享变量的一份拷贝）。工作内存负责与线程交互，也负责与主内存交互。

JMM对共享内存的操作做出了如下两条规定：

·线程对共享内存的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，不能直接从主内存中读写；

·不同线程无法直接访问其他线程工作内存中的变量，因此共享变量的值传递需要通过主内存完成。

  不同的平台，内存模型是不一样的，但是jvm的内存模型规范是统一的。其实java的多线程并发问题最终都会反映在java的内存模型上，所谓线程安全无非是要控制多个线程对某个资源的有序访问或修改。总结java的内存模型，要解决两个主要的问题：可见性和有序性。

可见性

那么，何谓可见性？指线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果，另外一个线程马上就能看的到。 多个线程之间是不能互相传递数据通信的，它们之间的沟通只能通过共享变量来进行。Java内存模型（JMM）规定了jvm有主内存，主内存是多个线程共享的。当new一个对象的时候，也是被分配在主内存中，每个线程都有自己的工作内存，工作内存存储了主存的某些对象的副本，当然线程的工作内存大小是有限制的。当线程操作某个对象时，执行顺序如下：
 (1) 从主存复制变量到当前工作内存 (read and load)
 (2) 执行代码，改变共享变量值 (use and assign)
 (3) 用工作内存数据刷新主存相关内容 (store and write)

JVM规范定义了线程对主存的操作指令：read，load，use，assign，store，write。当一个共享变量在多个线程的工作内存中都有副本时，如果一个线程修改了这个共享变量，那么其他线程应该能够看到这个被修改后的值，这就是多线程的可见性问题。

有序性

那么，什么是有序性呢 ？线程在引用变量时不能直接从主内存中引用,如果线程工作内存中没有该变量,则会从主内存中拷贝一个副本到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该副本。当同一线程再度引用该字段时,有可能重新从主存中获取变量副本(read-load-use),也有可能直接引用原来的副本 (use),也就是说 read,load,use顺序可以由JVM实现系统决定。
   线程不能直接为主存中中字段赋值，它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign),完成后这个变量副本会同步到主存储区(store- write)，至于何时同步过去，根据JVM实现系统决定.有该字段,则会从主内存中将该字段赋值到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该变量副本，当同一线程多次重复对字段赋值时,比如：

<span style="font-family:SimSun;font-size:12px;">for(int i=0;i<10;i++)    a++;  </span>

线程有可能只对工作内存中的副本进行赋值,只到最后一次赋值后才同步到主存储区，所以assign,store,weite顺序可以由JVM实现系统决定。假设有一个共享变量x，线程a执行x=x+1。从上面的描述中可以知道x=x+1并不是一个原子操作，它的执行过程如下：
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x加1
3 将x加1后的值写回主 存
如果另外一个线程b执行x=x-1，执行过程如下：
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x减1
3 将x减1后的值写回主存 
那么显然，最终的x的值是不可靠的。假设x现在为10，线程a加1，线程b减1，从表面上看，似乎最终x还是为10，但是多线程情况下会有这种情况发生：
1：线程a从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x值为10
2：线程b从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x值为10
3：线程a将工作内存中x加1，工作内存中x值为11
4：线程a将x提交主存中，主存中x为11
5：线程b将工作内存中x值减1，工作内存中x值为9
6：线程b将x提交到中主存中，主存中x为9 
同样，x有可能为11，如果x是一个银行账户，线程a存款，线程b扣款，显然这样是有严重问题的，要解决这个问题，必须保证线程a和线程b是有序执行的，并且每个线程执行的加1或减1是一个原子操作。看看下面代码：

public class Account {         private int balance;         public Account(int balance) {           this.balance = balance;       }         public int getBalance() {           return balance;       }         public void add(int num) {           balance = balance + num;       }         public void withdraw(int num) {           balance = balance - num;       }         public static void main(String[] args) throws InterruptedException {           Account account = new Account(1000);           Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");           Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");           a.start();           b.start();           a.join();           b.join();           System.out.println(account.getBalance());       }         static class AddThread implements Runnable {           Account account;           int     amount;             public AddThread(Account account, int amount) {               this.account = account;               this.amount = amount;           }             public void run() {               for (int i = 0; i < 200000; i++) {                   account.add(amount);               }           }       }         static class WithdrawThread implements Runnable {           Account account;           int     amount;             public WithdrawThread(Account account, int amount) {               this.account = account;               this.amount = amount;           }             public void run() {               for (int i = 0; i < 100000; i++) {                   account.withdraw(amount);               }           }       }   }  

第一次执行结果为10200，第二次执行结果为1060，每次执行的结果都是不确定的，因为线程的执行顺序是不可预见的。这是java同步产生的根源，synchronized关键字保证了多个线程对于同步块是互斥的，synchronized作为一种同步手段，解决java多线程的执行有序性和内存可见性，而volatile关键字之解决多线程的内存可见性问题。后面将会详细介绍。

 synchronized关键字 

上面说了，java用synchronized关键字做为多线程并发环境的执行有序性的保证手段之一。当一段代码会修改共享变量，这一段代码成为互斥区或临界区，为了保证共享变量的正确性，synchronized标示了临界区。典型的用法如下：

synchronized(锁){        临界区代码   }   

为了保证银行账户的安全，可以操作账户的方法如下：

public synchronized void add(int num) {        balance = balance + num;   }   public synchronized void withdraw(int num) {        balance = balance - num;   }  

刚才不是说了synchronized的用法是这样的吗：

synchronized(锁){   临界区代码   }  

那么对于public synchronized void add(int num)这种情况，意味着什么呢？其实这种情况，锁就是这个方法所在的对象。同理，如果方法是public  static synchronized void add(int num)，那么锁就是这个方法所在的class。
  理论上，每个对象都可以做为锁，但一个对象做为锁时，应该被多个线程共享，这样才显得有意义，在并发环境下，一个没有共享的对象作为锁是没有意义的。假如有这样的代码：

public class ThreadTest{     public void test(){        Object lock=new Object();        synchronized (lock){           //do something        }     }   }  

lock变量作为一个锁存在根本没有意义，因为它根本不是共享对象，每个线程进来都会执行Object lock=new Object();每个线程都有自己的lock，根本不存在锁竞争。
  每个锁对象都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列，就绪队列存储了将要获得锁的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程，当一个被线程被唤醒 (notify)后，才会进入到就绪队列，等待cpu的调度。当一开始线程a第一次执行account.add方法时，jvm会检查锁对象account 的就绪队列是否已经有线程在等待，如果有则表明account的锁已经被占用了，由于是第一次运行，account的就绪队列为空，所以线程a获得了锁，执行account.add方法。如果恰好在这个时候，线程b要执行account.withdraw方法，因为线程a已经获得了锁还没有释放，所以线程 b要进入account的就绪队列，等到得到锁后才可以执行。
一个线程执行临界区代码过程如下：
1 获得同步锁
2 清空工作内存
3 从主存拷贝变量副本到工作内存
4 对这些变量计算
5 将变量从工作内存写回到主存
6 释放锁

可见，synchronized既保证了多线程的并发有序性，又保证了多线程的内存可见性。

生产者/消费者模式

参考：

设计模式之生产者消费者模式的使用分析 

阻塞队列实现生产者消费者模式

http://www.cnblogs.com/techyc/p/3272321.html 

http://www.importnew.com/16453.html#comments

言归正传！在实际的软件开发过程中，经常会碰到如下场景：某个模块负责产生数据，这些数据由另一个模块来负责处理（此处的模块是广义的，可以是类、函数、线程、进程等）。产生数据的模块，就形象地称为生产者；而处理数据的模块，就称为消费者。
　　单单抽象出生产者和消费者，还够不上是生产者／消费者模式。该模式还需要有一个缓冲区处于生产者和消费者之间，作为一个中介。生产者把数据放入缓冲区，而消费者从缓冲区取出数据。大概的结构如下图。

为了不至于太抽象，咱们举一个寄信的例子（虽说这年头寄信已经不时兴，但这个例子还是比较贴切的）。假设你要寄一封平信，大致过程如下：
1、你把信写好——相当于生产者制造数据
2、你把信放入邮筒——相当于生产者把数据放入缓冲区
3、邮递员把信从邮筒取出——相当于消费者把数据取出缓冲区
4、邮递员把信拿去邮局做相应的处理——相当于消费者处理数据

优点：

　　可能有同学会问了：这个缓冲区有什么用捏？为什么不让生产者直接调用消费者的某个函数，直接把数据传递过去捏？搞出这么个缓冲区作甚？
　　其实这里面是大有讲究的，大概有如下一些好处。

◇解耦

　　假设生产者和消费者分别是两个类。如果让生产者直接调用消费者的某个方法，那么生产者对于消费者就会产生依赖（也就是耦合）。将来如果消费者的代码发生变化，可能会影响到生产者。而如果两者都依赖于某个缓冲区，两者之间不直接依赖，耦合也就相应降低了。

◇支持并发（concurrency）

　　生产者直接调用消费者的某个方法，还有另一个弊端。由于函数调用是同步的（或者叫阻塞的），在消费者的方法没有返回之前，生产者只好一直等在那边。万一消费者处理数据很慢，生产者就会白白糟蹋大好时光。
　　使用了生产者／消费者模式之后，生产者和消费者可以是两个独立的并发主体（常见的并发类型有进程和线程两种，后面的帖子会讲两种并发类型下的应用）。生产者把制造出来的数据往缓冲区一丢，就可以再去生产下一个数据。基本上不用依赖消费者的处理速度。

◇支持忙闲不均

　　缓冲区还有另一个好处。如果制造数据的速度时快时慢，缓冲区的好处就体现出来了。当数据制造快的时候，消费者来不及处理，未处理的数据可以暂时存在缓冲区中。等生产者的制造速度慢下来，消费者再慢慢处理掉。
　　为了充分复用、节省打字，俺再拿寄信的例子来说事儿。假设邮递员一次只能带走1000封信。万一某次碰上情人节（也可能是圣诞节）送贺卡，需要寄出去的信超过1000封，这时候邮筒这个缓冲区就派上用场了。邮递员把来不及带走的信暂存在邮筒中，等下次过来时再拿走。

volatile关键字 

volatile是java提供的一种同步手段，只不过它是轻量级的同步，为什么这么说，因为volatile只能保证多线程的内存可见性，不能保证多线程的执行有序性。而最彻底的同步要保证有序性和可见性，例如synchronized。任何被volatile修饰的变量，都不拷贝副本到工作内存，任何修改都及时写在主存。因此对于Valatile修饰的变量的修改，所有线程马上就能看到，但是volatile不能保证对变量的修改是有序的。什么意思呢？假如有这样的代码：

public class VolatileTest{     public volatile int a;     public void add(int count){          a=a+count;     }   }  

  当一个VolatileTest对象被多个线程共享，a的值不一定是正确的，因为a=a+count包含了好几步操作，而此时多个线程的执行是无序的，因为没有任何机制来保证多个线程的执行有序性和原子性。volatile存在的意义是，任何线程对a的修改，都会马上被其他线程读取到，因为直接操作主存，没有线程对工作内存和主存的同步。所以，volatile的使用场景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:
1)对变量的写操作不依赖于当前值。
2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中 
volatile只保证了可见性，所以Volatile适合直接赋值的场景，如

public class VolatileTest{     public volatile int a;     public void setA(int a){         this.a=a;     }   }  

在没有volatile声明时，多线程环境下，a的最终值不一定是正确的，因为this.a=a;涉及到给a赋值和将a同步回主存的步骤，这个顺序可能被打乱。如果用volatile声明了，读取主存副本到工作内存和同步a到主存的步骤，相当于是一个原子操作。所以简单来说，volatile适合这种场景：一个变量被多个线程共享，线程直接给这个变量赋值。这是一种很简单的同步场景，这时候使用volatile的开销将会非常小。

volatile 与 synchronized 区别

参考：

volatile与synchronized区别

原子性（atomicity）

原子操作是不可分割的，在执行完毕不会被任何其它任务或事件中断。

具有原子性的操作被称为原子操作。原子操作在操作完毕之前不会线程调度器中断。在Java中，对除了long和double之外的基本类型的简单操作都具有原子性。简单操作就是赋值或者return。比如”a = 1;“和 “return a;”这样的操作都具有原子性。但是在Java中，上面买碘片例子中的类似”a += b”这样的操作不具有原子性，所以如果add方法不是同步的就会出现难以预料的结果。在某些JVM中”a += b”可能要经过这样三个步骤：

1.取出a和b

2.计算a+b

3.将计算结果写入内存

如果有两个线程t1,t2在进行这样的操作。t1在第二步做完之后还没来得及把数据写回内存就被线程调度器中断了，于是t2开始执行，t2执行完毕后t1又把没有完成的第三步做完。这个时候就出现了错误，相当于t2的计算结果被无视掉了。

类似的，像”a++“这样的操作也都不具有原子性。所以在多线程的环境下一定要记得进行同步操作。 有一些并发大牛可以利用原子性避免同步而写出“免锁”的代码。

Java SE引入了原子类，比如AtomicInter,AtomicLong等等。

volatile

使用volatile关键字
用一句话概括volatile,它能够使变量在值发生改变时能尽快地让其他线程知道.

可见性就是指当一个线程修改了线程共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方法来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每使用前立即从内存刷新。因为我们可以说volatile保证了线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

上面提到了，对long和double的简单操作不具有原子性。但是，一旦给这两个类型的属性加上volatile修饰符，对它们的简单操作就会具有原子性（当然这是说的在Java SE5之后的故事）。

在一些情况下即便是原子操作也可能会引发一些错误，特别是在多处理器的环境下。因为多处理器的计算机可以将内存中的值暂时储存在寄存器或者本地内存缓冲区中。所以，运行在不同处理器上的线程取同一个内存位置的值可能不相同。有一些编译器也会自作主张地优化指令，使得上述情况发生。你当然可以用同步锁来解决这些问题，不过volatile也能解决。

如果给一个变量加上volatile修饰符，就相当于：每一个线程中一旦这个值发生了变化就马上刷新回主存，使得各个线程取出的值相同。编译器不要对这个变量的读、写操作做优化。

但是值得注意的是，除了对long和double的简单操作之外，volatile并不能提供原子性。所以，就算你将一个变量修饰为volatile，但是对这个变量的操作并不是原子的，在并发环境下，还是不能避免错误的发生！比如在碘片例子中，将BankAccount类写成这样：

即便total被volatile修饰，但是由于add方法不是同步的，所以不能避免错误的发生！

volatile与synchronized

• volatile本质是在告诉jvm当前变量在寄存器中的值是不确定的,需要从主存中读取,synchronized则是锁定当前变量,只有当前线程可以访问该变量,其他线程被阻塞住.
• volatile仅能使用在变量级别,synchronized则可以使用在变量,方法.
• volatile仅能实现变量的修改可见性,但不具备原子特性,而synchronized则可以保证变量的修改可见性和原子性.
• volatile不会造成线程的阻塞,而synchronized可能会造成线程的阻塞.
• volatile标记的变量不会被编译器优化,而synchronized标记的变量可以被编译器优化.