淺談java內(nèi)存模型
       不同的平臺，內(nèi)存模型是不一樣的，但是jvm的內(nèi)存模型規(guī)范是統(tǒng)一的。其實(shí)java的多線程并發(fā)問題最終都會反映在java的內(nèi)存模型上，所謂線程安全無 非是要控制多個線程對某個資源的有序訪問或修改。總結(jié)java的內(nèi)存模型，要解決兩個主要的問題：可見性和有序性。我們都知道計(jì)算機(jī)有高速緩存的存在，處 理器并不是每次處理數(shù)據(jù)都是取內(nèi)存的。JVM定義了自己的內(nèi)存模型，屏蔽了底層平臺內(nèi)存管理細(xì)節(jié)，對于java開發(fā)人員，要清楚在jvm內(nèi)存模型的基礎(chǔ) 上，如果解決多線程的可見性和有序性。
       那么，何謂可見性？ 多個線程之間是不能互相傳遞數(shù)據(jù)通信的，它們之間的溝通只能通過共享變量來進(jìn)行。Java內(nèi)存模型（JMM）規(guī)定了jvm有主內(nèi)存，主內(nèi)存是多個線程共享 的。當(dāng)new一個對象的時候，也是被分配在主內(nèi)存中，每個線程都有自己的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存存儲了主存的某些對象的副本，當(dāng)然線程的工作內(nèi)存大小是有限制 的。當(dāng)線程操作某個對象時，執(zhí)行順序如下：
 (1) 從主存復(fù)制變量到當(dāng)前工作內(nèi)存 (read and load)
 (2) 執(zhí)行代碼，改變共享變量值 (use and assign)
 (3) 用工作內(nèi)存數(shù)據(jù)刷新主存相關(guān)內(nèi)容 (store and write)

JVM規(guī)范定義了線程對主存的操作指 令：read，load，use，assign，store，write。當(dāng)一個共享變量在多個線程的工作內(nèi)存中都有副本時，如果一個線程修改了這個共享 變量，那么其他線程應(yīng)該能夠看到這個被修改后的值，這就是多線程的可見性問題。
        那么，什么是有序性呢 ？線程在引用變量時不能直接從主內(nèi)存中引用,如果線程工作內(nèi)存中沒有該變量,則會從主內(nèi)存中拷貝一個副本到工作內(nèi)存中,這個過程為read-load,完 成后線程會引用該副本。當(dāng)同一線程再度引用該字段時,有可能重新從主存中獲取變量副本(read-load-use),也有可能直接引用原來的副本 (use),也就是說 read,load,use順序可以由JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決定。
        線程不能直接為主存中中字段賦值，它會將值指定給工作內(nèi)存中的變量副本(assign),完成后這個變量副本會同步到主存儲區(qū)(store- write)，至于何時同步過去，根據(jù)JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決定.有該字段,則會從主內(nèi)存中將該字段賦值到工作內(nèi)存中,這個過程為read-load,完成后線 程會引用該變量副本，當(dāng)同一線程多次重復(fù)對字段賦值時,比如：

Java代碼  

1. for(int i=0;i<10;i++)  
2.  a++;  

線程有可能只對工作內(nèi)存中的副本進(jìn)行賦值,只到最后一次賦值后才同步到主存儲區(qū)，所以assign,store,weite順序可以由JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決 定。假設(shè)有一個共享變量x，線程a執(zhí)行x=x+1。從上面的描述中可以知道x=x+1并不是一個原子操作，它的執(zhí)行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內(nèi)存
2 給x加1
3 將x加1后的值寫回主 存
如果另外一個線程b執(zhí)行x=x-1，執(zhí)行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內(nèi)存
2 給x減1
3 將x減1后的值寫回主存
那么顯然，最終的x的值是不可靠的。假設(shè)x現(xiàn)在為10，線程a加1，線程b減1，從表面上看，似乎最終x還是為10，但是多線程情況下會有這種情況發(fā)生：
1：線程a從主存讀取x副本到工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中x值為10
2：線程b從主存讀取x副本到工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中x值為10
3：線程a將工作內(nèi)存中x加1，工作內(nèi)存中x值為11
4：線程a將x提交主存中，主存中x為11
5：線程b將工作內(nèi)存中x值減1，工作內(nèi)存中x值為9
6：線程b將x提交到中主存中，主存中x為9
同樣，x有可能為11，如果x是一個銀行賬戶，線程a存款，線程b扣款，顯然這樣是有嚴(yán)重問題的，要解決這個問題，必須保證線程a和線程b是有序執(zhí)行的， 并且每個線程執(zhí)行的加1或減1是一個原子操作。看看下面代碼：

Java代碼  

1. public class Account {  
2.   
3.     private int balance;  
4.   
5.     public Account(int balance) {  
6.         this.balance = balance;  
7.     }  
8.   
9.     public int getBalance() {  
10.         return balance;  
11.     }  
12.   
13.     public void add(int num) {  
14.         balance = balance + num;  
15.     }  
16.   
17.     public void withdraw(int num) {  
18.         balance = balance - num;  
19.     }  
20.   
21.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
22.         Account account = new Account(1000);  
23.         Thread a = new Thread(new AddThread(account, 20), "add");  
24.         Thread b = new Thread(new WithdrawThread(account, 20), "withdraw");  
25.         a.start();  
26.         b.start();  
27.         a.join();  
28.         b.join();  
29.         System.out.println(account.getBalance());  
30.     }  
31.   
32.     static class AddThread implements Runnable {  
33.         Account account;  
34.         int     amount;  
35.   
36.         public AddThread(Account account, int amount) {  
37.             this.account = account;  
38.             this.amount = amount;  
39.         }  
40.   
41.         public void run() {  
42.             for (int i = 0; i < 200000; i++) {  
43.                 account.add(amount);  
44.             }  
45.         }  
46.     }  
47.   
48.     static class WithdrawThread implements Runnable {  
49.         Account account;  
50.         int     amount;  
51.   
52.         public WithdrawThread(Account account, int amount) {  
53.             this.account = account;  
54.             this.amount = amount;  
55.         }  
56.   
57.         public void run() {  
58.             for (int i = 0; i < 100000; i++) {  
59.                 account.withdraw(amount);  
60.             }  
61.         }  
62.     }  
63. }  

第一次執(zhí)行結(jié)果為10200，第二次執(zhí)行結(jié)果為1060，每次執(zhí)行的結(jié)果都是不確定的，因?yàn)榫€程的執(zhí)行順序是不可預(yù)見的。這是java同步產(chǎn)生的根 源，synchronized關(guān)鍵字保證了多個線程對于同步塊是互斥的，synchronized作為一種同步手段，解決java多線程的執(zhí)行有序性和內(nèi) 存可見性，而volatile關(guān)鍵字之解決多線程的內(nèi)存可見性問題。后面將會詳細(xì)介紹。

synchronized關(guān)鍵 字
        上面說了，java用synchronized關(guān)鍵字做為多線程并發(fā)環(huán)境的執(zhí)行有序性的保證手段之一。當(dāng)一段代碼會修改共享變量，這一段代碼成為互斥區(qū)或 臨界區(qū)，為了保證共享變量的正確性，synchronized標(biāo)示了臨界區(qū)。典型的用法如下：

Java代碼  

1. synchronized(鎖){  
2.      臨界區(qū)代碼  
3. }   

為了保證銀行賬戶的安全，可以操作賬戶的方法如下：

Java代碼  

1. public synchronized void add(int num) {  
2.      balance = balance + num;  
3. }  
4. public synchronized void withdraw(int num) {  
5.      balance = balance - num;  
6. }  

剛才不是說了synchronized的用法是這樣的嗎：

Java代碼  

1. synchronized(鎖){  
2. 臨界區(qū)代碼  
3. }  

那么對于public synchronized void add(int num)這種情況，意味著什么呢？其實(shí)這種情況，鎖就是這個方法所在的對象。同理，如果方法是public  static synchronized void add(int num)，那么鎖就是這個方法所在的class。
        理論上，每個對象都可以做為鎖，但一個對象做為鎖時，應(yīng)該被多個線程共享，這樣才顯得有意義，在并發(fā)環(huán)境下，一個沒有共享的對象作為鎖是沒有意義的。假如 有這樣的代碼：

Java代碼  

1. public class ThreadTest{  
2.   public void test(){  
3.      Object lock=new Object();  
4.      synchronized (lock){  
5.         //do something  
6.      }  
7.   }  
8. }  

lock變量作為一個鎖存在根本沒有意義，因?yàn)樗静皇枪蚕韺ο?，每個線程進(jìn)來都會執(zhí)行Object lock=new Object();每個線程都有自己的lock，根本不存在鎖競爭。
        每個鎖對象都有兩個隊(duì)列，一個是就緒隊(duì)列，一個是阻塞隊(duì)列，就緒隊(duì)列存儲了將要獲得鎖的線程，阻塞隊(duì)列存儲了被阻塞的線程，當(dāng)一個被線程被喚醒 (notify)后，才會進(jìn)入到就緒隊(duì)列，等待cpu的調(diào)度。當(dāng)一開始線程a第一次執(zhí)行account.add方法時，jvm會檢查鎖對象account 的就緒隊(duì)列是否已經(jīng)有線程在等待，如果有則表明account的鎖已經(jīng)被占用了，由于是第一次運(yùn)行，account的就緒隊(duì)列為空，所以線程a獲得了鎖， 執(zhí)行account.add方法。如果恰好在這個時候，線程b要執(zhí)行account.withdraw方法，因?yàn)榫€程a已經(jīng)獲得了鎖還沒有釋放，所以線程 b要進(jìn)入account的就緒隊(duì)列，等到得到鎖后才可以執(zhí)行。
一個線程執(zhí)行臨界區(qū)代碼過程如下：
1 獲得同步鎖
2 清空工作內(nèi)存
3 從主存拷貝變量副本到工作內(nèi)存
4 對這些變量計(jì)算
5 將變量從工作內(nèi)存寫回到主存
6 釋放鎖
可見，synchronized既保證了多線程的并發(fā)有序性，又保證了多線程的內(nèi)存可見性。


生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式
        生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式其實(shí)是一種很經(jīng)典的線程同步模型，很多時候，并不是光保證多個線程對某共享資源操作的互斥性就夠了，往往多個線程之間都是有協(xié)作的。
        假設(shè)有這樣一種情況，有一個桌子，桌子上面有一個盤子，盤子里只能放一顆雞蛋，A專門往盤子里放雞蛋，如果盤子里有雞蛋，則一直等到盤子里沒雞蛋，B專門 從盤子里拿雞蛋，如果盤子里沒雞蛋，則等待直到盤子里有雞蛋。其實(shí)盤子就是一個互斥區(qū)，每次往盤子放雞蛋應(yīng)該都是互斥的，A的等待其實(shí)就是主動放棄鎖，B 等待時還要提醒A放雞蛋。
如何讓線程主動釋放鎖
很簡單，調(diào)用鎖的wait()方法就好。wait方法是從Object來的，所以任意對象都有這個方法。看這個代碼片段：

Java代碼  

1. Object lock=new Object();//聲明了一個對象作為鎖  
2.    synchronized (lock) {  
3.        balance = balance - num;  
4.        //這里放棄了同步鎖，好不容易得到，又放棄了  
5.        lock.wait();  
6. }  

如果一個線程獲得了鎖lock，進(jìn)入了同步塊，執(zhí)行l(wèi)ock.wait()，那么這個線程會進(jìn)入到lock的阻塞隊(duì)列。如果調(diào)用 lock.notify()則會通知阻塞隊(duì)列的某個線程進(jìn)入就緒隊(duì)列。
聲明一個盤子，只能放一個雞蛋

Java代碼  

1. import java.util.ArrayList;  
2. import java.util.List;  
3.   
4. public class Plate {  
5.   
6.     List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();  
7.   
8.     public synchronized Object getEgg() {  
9.         while(eggs.size() == 0) {  
10.             try {  
11.                 wait();  
12.             } catch (InterruptedException e) {  
13.             }  
14.         }  
15.   
16.         Object egg = eggs.get(0);  
17.         eggs.clear();// 清空盤子  
18.         notify();// 喚醒阻塞隊(duì)列的某線程到就緒隊(duì)列  
19.         System.out.println("拿到雞蛋");  
20.         return egg;  
21.     }  
22.   
23.     public synchronized void putEgg(Object egg) {  
24.         while(eggs.size() > 0) {  
25.             try {  
26.                 wait();  
27.             } catch (InterruptedException e) {  
28.             }  
29.         }  
30.         eggs.add(egg);// 往盤子里放雞蛋  
31.         notify();// 喚醒阻塞隊(duì)列的某線程到就緒隊(duì)列  
32.         System.out.println("放入雞蛋");  
33.     }  
34.       
35.     static class AddThread extends Thread{  
36.         private Plate plate;  
37.         private Object egg=new Object();  
38.         public AddThread(Plate plate){  
39.             this.plate=plate;  
40.         }  
41.           
42.         public void run(){  
43.             for(int i=0;i<5;i++){  
44.                 plate.putEgg(egg);  
45.             }  
46.         }  
47.     }  
48.       
49.     static class GetThread extends Thread{  
50.         private Plate plate;  
51.         public GetThread(Plate plate){  
52.             this.plate=plate;  
53.         }  
54.           
55.         public void run(){  
56.             for(int i=0;i<5;i++){  
57.                 plate.getEgg();  
58.             }  
59.         }  
60.     }  
61.       
62.     public static void main(String args[]){  
63.         try {  
64.             Plate plate=new Plate();  
65.             Thread add=new Thread(new AddThread(plate));  
66.             Thread get=new Thread(new GetThread(plate));  
67.             add.start();  
68.             get.start();  
69.             add.join();  
70.             get.join();  
71.         } catch (InterruptedException e) {  
72.             e.printStackTrace();  
73.         }  
74.         System.out.println("測試結(jié)束");  
75.     }  
76. }  

  執(zhí)行結(jié)果：

Html代碼  

1. 放入雞蛋  
2. 拿到雞蛋  
3. 放入雞蛋  
4. 拿到雞蛋  
5. 放入雞蛋  
6. 拿到雞蛋  
7. 放入雞蛋  
8. 拿到雞蛋  
9. 放入雞蛋  
10. 拿到雞蛋  
11. 測試結(jié)束  

聲明一個Plate對象為plate，被線程A和線程B共享，A專門放雞蛋，B專門拿雞蛋。假設(shè)
1 開始，A調(diào)用plate.putEgg方法，此時eggs.size()為0，因此順利將雞蛋放到盤子，還執(zhí)行了notify()方法，喚醒鎖的阻塞隊(duì)列 的線程，此時阻塞隊(duì)列還沒有線程。
2 又有一個A線程對象調(diào)用plate.putEgg方法，此時eggs.size()不為0，調(diào)用wait()方法，自己進(jìn)入了鎖對象的阻塞隊(duì)列。
3 此時，來了一個B線程對象，調(diào)用plate.getEgg方法，eggs.size()不為0，順利的拿到了一個雞蛋，還執(zhí)行了notify()方法，喚 醒鎖的阻塞隊(duì)列的線程，此時阻塞隊(duì)列有一個A線程對象，喚醒后，它進(jìn)入到就緒隊(duì)列，就緒隊(duì)列也就它一個，因此馬上得到鎖，開始往盤子里放雞蛋，此時盤子是 空的，因此放雞蛋成功。
4 假設(shè)接著來了線程A，就重復(fù)2；假設(shè)來料線程B，就重復(fù)3。
整個過程都保證了放雞蛋，拿雞蛋，放雞蛋，拿雞蛋。

volatile關(guān)鍵字
       volatile是java提供的一種同步手段，只不過它是輕量級的同步，為什么這么說，因?yàn)関olatile只能保證多線程的內(nèi)存可見性，不能保證多線 程的執(zhí)行有序性。而最徹底的同步要保證有序性和可見性，例如synchronized。任何被volatile修飾的變量，都不拷貝副本到工作內(nèi)存，任何 修改都及時寫在主存。因此對于Valatile修飾的變量的修改，所有線程馬上就能看到，但是volatile不能保證對變量的修改是有序的。什么意思 呢？假如有這樣的代碼：

Java代碼  

1. public class VolatileTest{  
2.   public volatile int a;  
3.   public void add(int count){  
4.        a=a+count;  
5.   }  
6. }  

        當(dāng)一個VolatileTest對象被多個線程共享，a的值不一定是正確的，因?yàn)閍=a+count包含了好幾步操作，而此時多個線程的執(zhí)行是無序的，因 為沒有任何機(jī)制來保證多個線程的執(zhí)行有序性和原子性。volatile存在的意義是，任何線程對a的修改，都會馬上被其他線程讀取到，因?yàn)橹苯硬僮髦鞔妫? 沒有線程對工作內(nèi)存和主存的同步。所以，volatile的使用場景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 變量替代鎖。要使 volatile 變量提供理想的線程安全,必須同時滿足下面兩個條件:
1)對 變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值。
2)該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
volatile只保證了可見性，所以Volatile適合直接賦值的場景，如

Java代碼  

1. public class VolatileTest{  
2.   public volatile int a;  
3.   public void setA(int a){  
4.       this.a=a;  
5.   }  
6. }  

在沒有volatile聲明時，多線程環(huán)境下，a的最終值不一定是正確的，因?yàn)閠his.a=a;涉及到給a賦值和將a同步回主存的步驟，這個順序可能被 打亂。如果用volatile聲明了，讀取主存副本到工作內(nèi)存和同步a到主存的步驟，相當(dāng)于是一個原子操作。所以簡單來說，volatile適合這種場 景：一個變量被多個線程共享，線程直接給這個變量賦值。這是一種很簡單的同步場景，這時候使用volatile的開銷將會非常小。