【慕课网学习笔记】Java共享变量的可见性和原子性

1. Java内存模型(Java Memory Model, JMM)

Java的内存模型如下，所有变量都存储在主内存中，每个线程都有自己的工作内存。

共享变量：如果一个变量在多个线程中都使用到了，那么这个变量就是这几个线程的共享变量。

可见性：一个线程对共享变量的修改，能够及时地到主内存并且让其他的线程看到。

怎么理解上面的可见性的意思呢？

线程对共享变量的修改，只能在自己的工作内存里操作，不能直接对主内存中的共享变量进行修改。而且一个线程不能直接访问另一个线程中的变量的值，只能通过主内存进行共享传递。

那么就要求线程A对共享变量修改后，及时地更新到主内存中，线程B才可以及时地从主内存获取最新的值到工作内存。

比如一个共享变量int i = 0; 线程A将其改为i =1; 其他线程此时获取i的值，应该能及时地得到1，而不是0。

2. synchronized实现可见性

synchronized除了常见的原子性，还实现了可见性。这是因为：

1) 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中去；

2) 线程加锁时，将清空工作内存中的共享变量的值，使用到共享变量时，从主内存中获取最新的共享变量值（加锁和解锁需要同一把锁）

3. volatile实现可见性

通过内存屏障和禁止重排序优化来实现可见性。

1) 对共享变量进行写操作后，加入一条store屏障指令，强制将共享变量的值刷新到主内存；

2) 对共享变量进行读操作前，加入一条load屏障指令，强制从主内存中将最新值刷新到工作内存；

4.volatile不能保证原子性

一个比较典型的例子是++运算符。

在下面的代码中，一共创建了1000个线程，预期应该是加了1000次，那么number的值应该是1000，实际上有可能并不是。

这是因为，++运算符并不是一次操作。以number++为例，可以看作是，先从主内存中取出number的值，然后将其加1，刷新工作内存，刷新主内存，这么几个步骤。

而volatile并不能保证原子性，这就意味着，有可能出现这种情况：

1)线程A获取到主内存的number的值（假设为10）到工作内存

2)此时CPU调度，A暂停，线程B开始执行，同样从主内存中获取到number为10，number++后，number为11，刷新到主内存

3)线程A继续执行number++，它的工作内存中number为10，执行完毕刷新到主内存，此时，number的值为11. 也就是说，AB两个线程同时进行了+1操作，但最终的结果，只加了1

public class VolatileDemo {

    private int number = 0;

    public void increase() {
        number++;
    }

    public int getNumber() {
        return number;
    }

    public static void main(String[] args) {
        final VolatileDemo demo = new VolatileDemo();

        for (int i = 0; i <= 999; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    demo.increase();
                }
            }).start();
        }
        
        //线程未执行完，主线程让出CPU资源
        while(Thread.activeCount() > 1){
            Thread.yield();
        }

        //待上面的线程都执行完了，再打印，避免打印的不是最后的数据
        System.out.println(demo.getNumber());
    }
}

5.volatile适用场景

1)对共享变量的写操作，不依赖于其之前的值

不合适：number++, number = number * 2, number += 1等

合适：boolean值

2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中，也就是说，不同的volatile变量之间，不能互相依赖

6.AtomicInteger实现递增

上面我们已经知道一个整型的共享变量要实现递增，如果使用++运算符，即使加上volatile关键字，也是无法保证其原子性的。而如果在访问变量时加上synchronized块，或者可重入锁，开销又太大。

JDK1.5之后，可以使用AtomicInteger进行递增。该类是线程安全的。

将上面的代码修改如下，就可以保证原子性和可见性。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class VolatileDemo {

    private AtomicInteger number = new AtomicInteger(0);

    public void increase() {
        number.incrementAndGet();
    }

    public int getNumber() {
        return number.intValue();
    }

    public static void main(String[] args) {
        final VolatileDemo demo = new VolatileDemo();

        for (int i = 0; i <= 999; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    demo.increase();
                }
            }).start();
        }
        
        //线程未执行完，主线程让出CPU资源
        while(Thread.activeCount() > 1){
            Thread.yield();
        }

        //待上面的线程都执行完了，再打印，避免打印的不是最后的数据
        System.out.println(demo.getNumber());
    }
}