详解Java多线程之内存可见性

可见性：一个线程对共享变量值的修改，能够及时的被其他线程看到。 
共享变量：如果一个电量在多个线程的工作内存中都存在副本，那么这个变量就是这几个线程的共享变量。

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出变量这样的底层细节。 
所有变量都存储在主内存中。每个线程都有自己独立的工作内存，里面保存该线程使用到的变量的副本（主内存跟变量的唯一一份拷贝）。

两条规定 
线程对共享变量的所有操作，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； 
不同线程之间无法访问其他线程工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来完成。

共享变量可见性实现的原理 
线程1对工程变量的修改想要被线程2及时看到，必须经过以下2个步骤： 
把工作内存1中更新过的共享变量刷新的主体中； 
将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中。 
要实现共享变量的可见性，必须保证两点： 
线程修改后的共享变量值能够及时从工作内存刷新到主内存中； 
其他线程能够及时把共享变量的最新指从主内存更新到自己的工作内存中。

可见性的实现方式 
Java语言层面支持的可见性实现方式（语言层面，不包括1.5后高级特性）： 
synchronized 
volatile

synchronized实现可见性 
synchronized能够实现： 
原子性（同步）； 
可见性。 
都知道synchronized的原子性，很少知道它的可见性。

synchronized实现可见性

JVM关于synchronized的两条规定： 
线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中； 
线程加锁时，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值（注意：加锁解锁需要是同一把锁） 
线程解锁前对共享变量的修改在下次加锁时对其他线程可见。

线程执行互斥代码的过程： 
1、获得互斥锁； 
2、清空工作内存 
3、从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存 
4、执行代码 
5、将更改后的共享变量的值刷新到主内存 
6、释放互斥锁。

重排序 
代码书写的顺序与实施执行的顺序不同，指令重排序是编译器或处理器为了提高程序性能而做的优化。 
1、编译器优化的重排序（编译器优化） 
2、指令级并行重排序（处理器优化） 
3、内存系统的重排序（处理器优化）

重排序有可能导致这样的结果 
代码顺序 
int number =1; int result = 0; 
执行顺序 
int result = 0; int number = 1;

as-if-serial: 无论如何重排序，程序执行的结果应该与代码顺序执行的结果一致（Java编译器、运行时和处理器都会保证Java在单线程下遵循as-if-serial语句）。

int num1 = 1; 
int num2 = 2; 
int sum = num1+num2; 
单线程：第1、2行的顺序可以重排，但第3行不能。 
重排序不会给单线程带来内存可见性问题 
多线程中程序交互执行时，重排序可能会造成内存可见性问题。

实例： 

public class Syn01 { 
　　// 共享变量 
　　private boolean ready = false; 
　　private int result = 0; 
　　private int number = 1; 
　　// 写操作 
　　public void write() { 
　　　　ready = true; // 1.1 
　　　　number = 2; // 1.2 
　　} 
　　// 读操作 
　　public void read() { 
　　　　if (ready) { // 2.1 
　　　　　　result = number * 3; // 2.2 
　　　　} 
　　　　System.out.println("result的值为：" + result); 
　　} 
　　private class ReadWriteThread extends Thread { 
　　// 根据构造方法中传入的flag参数，确定线程执行读操作还是写操作 
　　private boolean flag; 
　　public ReadWriteThread(boolean flag) { 
　　　　this.flag = flag; 
　　} 
　　@Override 
　　public void run() { 
　　　　if (flag) { 
　　　　　　// 构造方法中传入true，执行写操作 
　　　　　　write(); 
　　　　} else { 
　　　　　　// 构造方法中传入false，执行读操作 
　　　　　　read(); 
　　　　} 
　　} 
}

public static void main(String[] args) {
    Syn01 synDemo = new Syn01();
    // 启动线程执行写操作
    synDemo.new ReadWriteThread(true).start();
    // 启动线程执行读操作
    synDemo.new ReadWriteThread(false).start();
　　}
} 

执行发现有时打印6有时打印0。

可见性分析：

打印6的情况下的可见性： 
1、第一个线程（写线程）执行完再执行第二个线程（读线程）。 
2、1.1 - 2.1 - 1.2 - 2.2 
3、1.2 - 1.1 - 再执行第二个线程 
等等。 
得到6的情况，说明共享变量的值的修改得到的及时更新。但是这时没有加synchronized关键字，为什么可以让线程一改变后的工作内存的值刷新到主内存呢，这是因为编译器做了优化，可能运行很多次才出现一次内存更新不及时的情况，但就这一次可能就会带来严重后果，所以写程序时最好在需要保证可见性时加入安全措施。

2.1和2.2也有可能会重排序，因为它们虽然存在控制依赖关系，但不是不构成标示重排序的约束，因为它们之间没有数据依赖关系，只有数据依赖关系才会禁止指令重排序。

执行顺序：1.1 - 2.1 - 2.2 - 1.2 result为3 
执行顺序：1.2 - 2.1 - 2.2 - 1.1 result为0

导致共享变量在线程见不可见的原因： 
1、线程的交叉执行； 
2、重排序结合线程交叉执行； 
3、共享变量更新后的值没有在工作内存与主内存间及时更新。

synchronized解决方案： 
在读操作和写操作函数上分别加synchronized关键字。

加了synchronized保证的内存的可见性，所以结果不会为3，因为保证的原子性，不会交叉执行。结果只有两种情况0和6，但因为两个线程执行时间没有先后，所以加sleep: 
在第一个线程启动后，让主线程sleep一秒再创建并启动第二个线程，可以使结果一直为6： 

public static void main(String[] args) { 
　　SynchronizedDemo synDemo = new SynchronizedDemo(); 
　　synDemo .new ReadWriteThread(true).start(); 
　　try { 
　　　　Thread.sleep(1000); 
　　} catch (InterruptedException e) { 
　　　　e.printStackTrace(); 
　　} 
　　synDemo.new ReadWriteThread(false).start(); 
　}

当两个并发线程访问同一个对象object中的这个synchronized(this)同步代码块时，一个时间内只能有一个线程得到执行。 
当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时，另一个线程仍然可以访问该object中的非synchronized(this)同步代码块。 
当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时，它就获得了这个object的对象锁。结果，其它线程对该object对象所有同步代码部分的访问都被暂时阻塞。

volatile保证可见性： 
volatile能保证可见性不能保证原子性 
volatile关键字： 
能够保证volatile变量的可见性 
不能保证volatile变量复合操作的原子性。

volatile如何实现内存可见性： 
深入来说：通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现的。 
对volatile变量执行写操作时，会在写操作后加入一条store屏障指令。 
对volatile变量执行读操作时，会在读操作前加入一条load屏障指令。 
通俗的讲：volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中读取该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫线程将最新的值刷新当地主内存。这样任何时刻，不同的线程总能看到该变量的最新值。

线程写volatile变量的过程： 
1、改变线程工作内存中volatile变量副本的值 
2、将改变后的副本的值从工作内存刷新到主内存 
线程读volatile变量的过程： 
1、从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中 
2、从工作内存中读取volatile变量的副本

volatile不能保证原子性。 
number++分三步 
volatile不保证原子性示例代码： 

public class Volatile01 { 
　　private volatile int number = 0;// volatile变量的改变总是被其他线程可见。 
　　public int getNumber() { 
　　　　return this.number; 
　　} 
　　public void increase() { 
　　　　this.number++; 
　　} 
　　public static void main(String[] args) { 
　　　　final Volatile01 volDemo = new Volatile01();// 
　　　　for (int i = 0; i < 500; i++) {// 启动500个线程 
　　　　　　new Thread(new Runnable() { 
　　　　　　　　public void run() { 
　　　　　　　　　　volDemo.increase(); 
　　　　　　　　} 
　　　　　　}).start(); 
　　　　} 
　　　　// 如果还有子线程在运行，主线程就让出CPU资源， 
　　　　// 直到所有的子线程都运行完了，主线程再继续往下执行： 
　　　　while (Thread.activeCount() > 1) { 
　　　　　　Thread.yield(); 
　　　　} 
　　　　System.out.println("number : " + volDemo.getNumber()); 
　　} 
} 

有时为500，有时为499。 
如果在increase方法时里再加休眠操作，会很多时候小于500： 

public void increase() { 
　　try { 
　　　　Thread.sleep(100); 
　　} catch (InterruptedException e) { 
　　　　e.printStackTrace(); 
　　} 
　　this.number++; 
}

synchronized保证number变量在线程中的原子性： 

这时把number的volatile关键字去掉，因为synchronized在保证原子性时也可保证可见性： 

private int number = 0; 
public synchronized void increase() { 
　　try { 
　　　　Thread.sleep(100); 
　　} catch (InterruptedException e) { 
　　　　e.printStackTrace(); 
　　} 
　　this.number++; 
} 

这样每个线程并列休眠100毫秒，程序会执行很久，所以要缩小锁的力度，这样线程可交叉休眠100毫秒： 

缩小锁力度，把synchronized写在里面： 

public void increase() { 
　　try { 
　　　　Thread.sleep(100); 
　　} catch (InterruptedException e) { 
　　　　e.printStackTrace(); 
　　} 
　　synchronized (this) { 
　　　　this.number++; 
　　} 
}

用Reentrantlock实现nubmer变量在线程中的原子性（也可保证可见性）： 

private Lock lock = new ReentrantLock(); 
　　private int number = 0; 
　　public int getNumber(){ 
　　　　return this.number; 
　　} 
public void increase(){ 
　　try { 
　　　　Thread.sleep(100); 
　　} catch (InterruptedException e) { 
　　　　e.printStackTrace(); 
　　} 
　　lock.lock(); 
　　try { 
　　　　this.number++; 
　　} finally { 
　　　　lock.unlock(); 
　　} 
}