【Java并发编程】01-内存模型与Synchronized、volatile关键字

并发问题的根源不在乎以下几个原因：可见性、原子性、有序性。Java常用Synchronized、volatile关键字来解决并发问题，在了解这两个关键字之前我们先来看看Java内存模型方便理解并发问题是如何产生的。

Java内存模型（JMM）

物理硬件内存模型和Java内存模型

物理硬件内存模型

目前基于高速缓存的存储交互很好的解决了cpu和内存等其他硬件之间的速度矛盾，多核情况下各个处理器(核)都要遵循一定的诸如MSI、MESI等协议来保证内存的各个处理器高速缓存和主内存的数据的一致性。

物理内存模型

Java内存模型（JMM）

Java内存模型来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各个平台下都能达到一致的并发效果。
主内存: Java虚拟机规定所有的变量(不是程序中的变量)都必须在主内存中产生，为了方便理解，可以认为是堆区。
工作内存： Java虚拟机中每个线程都有自己的工作内存，该内存是线程私有的为了方便理解，可以认为是虚拟机栈。
主内存、工作内存与java内存区域中的java堆、虚拟机栈、方法区并不是一个层次的内存划分。这两者是基本上是没有关系的，上文只是为了便于理解，做的类比

Java内存模型

JMM如何保证并发编程？

Java内存模型围绕着并发过程中如何处理原子性、可见性和顺序性这三个特征来设计的
原子性(Automicity)： 指一个操作是不可中断的，即使是多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程干扰。
可见性： 指当一个线程修改了某一个共享变量的值，其他线程是否能够立即知道这个修改。（volatile在JMM模型上实现MESI协议）
有序性： 指对于单线程的执行代码，执行是按顺序依次进行的。但在多线程环境中，则可能出现乱序现象，因为在编译过程会出现“指令重排”，重排后的指令与原指令的顺序未必一致。（保证有序性的关键字有volatile和synchronized，volatile禁止了指令重排序，而synchronized则由“一个变量在同一时刻只能被一个线程对其进行lock操作”来保证。）
指令重排： 可以保证串行语义一致，但是没有义务保证多线程间的语义一致，对于提高CPU处理性能是十分重要的
Happen-Before规则： （不能重排的指令）
程序顺序原则、volatile规则、锁规则...

JVM结构

Java程序的分配是在JVM虚拟机内存分配下完成的。（JMM是内存模型的规范，JVM则是实现）

JVM

解析 Synchronized 和 volatile 关键字

Synchronized

Synchronized除了原子性、可见性、有序性之外还有可重入性（一个线程可以重复申请锁）

Synchronized的用法

1、作用在实例方法：监视器锁(monitor)便是对象实例
2、作用在静态方法：监视器锁(monitor)便是对象的Class实例，Class数据存在方法区（永久代）
3、作用在代码块，监视器锁（monitor）便是括号起来的对象实例

查看字节码

我们先创建下面例子，分别使用了Synchronized的三种用法

public void test0(){
    System.out.println("test0");
}

public synchronized void test1(){
    System.out.println("test1");
}

public static synchronized void test2(){
    System.out.println("test2");
}

public void test3() {
    synchronized (this) {
        System.out.println("test3");
    }
}

然后通过javap -v 反编译class文件,可以得到：

1、同步方法：

作用在方法上可以看到在flags中多了一个ACC_SYNCHRONIZED的标志，这标志用来告诉JVM这是一个同步方法，在进入该方法之前先获取相应的锁，锁的计数器加1，方法结束后计数器-1，如果获取失败就阻塞住，直到该锁被释放。

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2、同步代码块

从反编译的同步代码块可以看到同步块是由monitorenter指令进入，然后monitorexit释放锁，在执行monitorenter之前需要尝试获取锁，如果这个对象没有被锁定，或者当前线程已经拥有了这个对象的锁，那么就把锁的计数器加1。当执行monitorexit指令时，锁的计数器也会减1。当获取锁失败时会被阻塞，一直等待锁被释放。

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但是为什么会有两个monitorexit呢？其实第二个monitorexit是来处理异常的，仔细看反编译的字节码，正常情况下第一个monitorexit之后会执行goto指令，而该指令转向的就是22行的return，也就是说正常情况下只会执行第一个monitorexit释放锁，然后返回。而如果在执行中发生了异常，第二个monitorexit就起作用了，它是由编译器自动生成的，在发生异常时处理异常然后释放掉锁。

synchronized的底层实现

1、Java对象头

在理解底层实现之前先了解一下Java对象头和Monitor，在JVM中，对象分为三部分存在的：对象头、实例数据、对齐填充

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实例数据： 存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐
对其填充： 不是必须部分，由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，对齐填充仅仅是为了使字节对齐
对象头： 在Hotshot虚拟机的对象头主要由Mark Word、Class Metadata Address组成。其中Mark Word存储对象的hashCode、锁信息或分代年龄或GC标志信息，Class Metadata Address 是类型指针指向对象的类元数据，JVM通过该指针确定该对象是那个类的实例。

1.1 Mark Word怎么存储锁信息？

JDK6之前只有两个状态：无锁、有锁（重量级锁），而在JDK6之后对synchronized进行了优化，新增了两种状态，总共就是四个状态：无锁状态、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，其中无锁就是一种状态了。考虑到存储成本，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构，它会根据对象的状态复用自己的存储空间，它可能随着运行状态变成下面4中数据：

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最后两位存储锁的标志位，01是初始状态，未加锁。偏向锁存储的是当前占用此对象的线程ID；而轻量级则存储指向线程栈中锁记录的指针

2、Monitor

每一个锁都对应一个monitor对象，在HotSpot虚拟机中它是由ObjectMonitor实现的（C++实现）。每个对象都存在着一个monitor与之关联，对象与其monitor之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个monitor被某个线程持有后，它便处于锁定状态。

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0;  //锁计数器
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

2、volatile

volatile保证被修饰的变量具有可见性、有序性。被volatile修饰的变量能够保证每个线程能够获取该变量的最新值，从而避免出现数据脏读的现象。

volatile的特性

可见性： volatile变量修改后，修改的值立即写入主存，并将其他线程工作空间该变量的缓存cache line置为无效。
有序性： volatile变量在读写操作时，保证前面的代码已经执行，后面的代码一定未执行。

volatile实现原理

观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令

volatile的使用场景

使用volatile关键字必须具备2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