Java進階專題(十一) 探究JMM

道阻且長啊發表於2020-08-20

前言

JMM即java記憶體模型，JMM研究的就是多執行緒下Java程式碼的執行順序，共享變數的讀寫。它定義了Java虛擬機器在計算機記憶體中的工作方式。從抽象角度看，JMM定義了執行緒和主存之間的抽象關係：執行緒之前的共享變數儲存在主記憶體中，每個執行緒有個私有的本地記憶體，本地記憶體中儲存了該執行緒讀寫共享變數的副本。本地記憶體是JMM的一個抽象概念，並不真實存在。它涵蓋了快取、寫緩衝區、暫存器以及其他硬體和編譯器優化。

先丟擲兩個問題：

你寫的程式碼一定是實際執行的程式碼嗎？
程式碼的編寫順序，一定是實際執行的順序嗎？

參考文獻:

Java Language Specification Chapter 17. Threads and Locks

JSR-133: JavaTM Memory Model and Thread Specification

Doug Lea' s JSR-133 cookbook

書籍：《Java Concurrency in Practice》

併發測試框架：jcstress

多執行緒讀寫共享變數

問題演示

猜猜一下程式碼在多執行緒的情況下，會發生什麼樣的情況？

永遠的迴圈

boolean stop;
@Actor
public void a1() {
   while(!stop){
   }
}
@Signal
void a2() {
   stop = true;
}

加加減減

int balance = 10;
@Actor
public void deposit() {
   balance += 5;
}
@Actor
public void withdraw() {
   balance -= 5;
}
@Arbiter
public void query(I_Result r) {
   r.r1 = balance;
}

第四種可能

int a;
int b;
@Actor
public void actor1(II_Result r) {
   b = 1;
   r.r2 = a;
}
@Actor
public void actor2(II_Result r) {
   a = 2;
   r.r1 = b;
}

問題解密

迴圈問題-揭祕

為了方便測試，改造下程式碼：

package com.study.demo6;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class WhileTest {
    static boolean stop;

    public static void a1() {
        while (true) {
            boolean b = stop;
            if (b) {
                break;
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            stop = true;
            System.out.println("stop>>>>>>>true!");
        }).start();
        a1();
    }
}

執行結果:

發現main主執行緒中，呼叫了啊a1()方法，子執行緒1秒後，對stop修改了true，按正常邏輯，死迴圈應該會break終止了，但是實際上執行，我們發現，一直在迴圈中，並未終止！

提示：

先用 -XX:+PrintCompilation 來檢視即時編譯情況（% 的含義 On-Stack-Replacement（OSR））

再嘗試用 -Xint 強制解釋執行

加加減減問題-解密

程式碼演示

package com.study.demo6;

import java.util.Arrays;
import java.util.List;

public class AddSubTest {
    static int balance = 10;

    private static void add(){
        balance+=5;
    }
    private static void sub(){
        balance-=5;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        List<Thread> threadList = Arrays.asList(new Thread(AddSubTest::add), new Thread(AddSubTest::sub));
        threadList.forEach(Thread::start);
        for (Thread thread : threadList) {
            thread.join();
        }
        System.out.println(balance);
    }
}

這回用一下ASM 工具，可以看到原始碼第10 行的 balance += 5 的位元組碼如下

LINENUMBER 8 L0
   GETSTATIC TestAddSub.balance : I
   ICONST_5
   IADD
   PUTSTATIC TestAddSub.balance : I

而第13 行的 balance -= 5 位元組碼如下

LINENUMBER 12 L0
   GETSTATIC TestAddSub.balance : I
   ICONST_5
   ISUB
   PUTSTATIC TestAddSub.balance : I

換成偽代後

    static int balance = 10;

    private static void add(){
        //balance+=5;
        int b = balance;
        b += 5;
        balance = b;
    }
    private static void sub(){
        //balance-=5;
        int c = balance;
        c -= 5;
        balance = c;
    }

可能出現的執行順序如下:

case1: 執行緒1和2序列

int b = balance; // 執行緒1
b += 5;          // 執行緒1
balance = b;     // 執行緒1
int c = balance; // 執行緒2
c -= 5;          // 執行緒2
balance = c;     // 執行緒2

case2:執行緒1和執行緒2同時拿到10,執行緒1執行完,執行緒2再執行完

int c = balance; // 執行緒2
int b = balance; // 執行緒1
b += 5;          // 執行緒1
balance = b;     // 執行緒1
c -= 5;          // 執行緒2
balance = c;     // 執行緒2

case3:執行緒1和執行緒2同時拿到10,執行緒2執行完,執行緒1再執行完

int b = balance; // 執行緒1
int c = balance; // 執行緒2
c -= 5;          // 執行緒2
balance = c;     // 執行緒2
b += 5;          // 執行緒1
balance = b;     // 執行緒1

第四種可能-揭祕

程式碼演示:

package com.study.demo6;

public class FourthResultTest {
    int a;
    int b;

    private void actor1(IIResult r){
        b=1;
        r.r2 = a;
    }

    private void actor2(IIResult r){
        a=2;
        r.r1 = b;
    }

}

可能出現的結果

case1:

b = 1;      // 執行緒1
r.r2 = a;   // 執行緒1
a = 2;      // 執行緒2
r.r1 = b;   // 執行緒2
// 結果 r1==1, r2==0

case2:

a = 2;      // 執行緒2
r.r1 = b;   // 執行緒2
b = 1;      // 執行緒1
r.r2 = a;   // 執行緒1
// 結果 r1==0, r2==2

case3:

a = 2;      // 執行緒2
b = 1;      // 執行緒1
r.r2 = a;   // 執行緒1
r.r1 = b;   // 執行緒2
// 結果 r1==1, r2==2

case4:這種結果是不是超乎你的預期了?這是因為可能是編譯器調整了指令執行順序

r.r2 = a;   // 執行緒1
a = 2;      // 執行緒2
r.r1 = b;   // 執行緒2
b = 1;      // 執行緒1
// 結果 r1==0, r2==0

思考為什麼

如果讓一個執行緒總是佔用CPU 是不合理的，所有任務排程器會讓執行緒分時使用CPU
編譯器以及硬體層面都會做層層優化，提升效能
Compiler/JIT 優化
Processor 流水線優化
Cache 優化

編輯器優化

case1:

//優化前
x=1
y="universe"
x=2
//優化後
y="universe"
x=2

case2:

//優化前
for(i=0;i<max;i++){
       z += a[i]
   }
//優化後
t = z
for(i=0;i<max;i++){
       t += a[i]
   }
z = t

case3:

//優化前
if(x>=0){
y = 1;
// ...
}
//優化後
y = 1;
if(x>=0){
// ...
}

Processor優化

流水線在CPU 的一個時鐘週期內會執行多個指令的不同部分

非流水線操作

假設有三條指令

---|---|---|
1   2   3

每條指令執行花費300ps 時間，最後將結果存入暫存器需要20ps
一秒能執行的指令數為

流水線操作

仔細分析就會發現，可以把每個指令細分為三個階段

A|B|C|          // 1
 A|B|C|        // 2
   A|B|C|      // 3

增加一些暫存器，快取每一階段的結果，這樣就可以在執行指令1-C 階段時，同時執行指令2-B 以及指令3-A
一秒能執行的指令數為

execute out of order

在按序執行中，一旦遇到指令依賴的情況，流水線就會停滯
如果採用亂序執行，就可以跳到下一個非依賴指令併發布它。這樣，執行單元就可以總是處於工作狀態，把
時間浪費減到最少

快取優化

MESI (CPU快取一致性)協議引入快取的副作用在於同一份資料可能儲存了副本，一致性該如何保證呢？

Modified - 要向其它CPU 傳送cache line 無效訊息，並等待ack
Exclusive - 獨佔、即將要執行修改
Shared - 共享、一般讀取時的初始狀態
Invalid - 一旦發現資料無效，需要重新載入資料

例子

就上文所說的第四種可能:r1 和r2 有沒有可能同時為0

r.r1 = b;   // 執行緒2 與 a = 2 重排
r.r2 = a;   // 執行緒1 與 a = 1 重排
b = 1;      // 執行緒1
a = 2;      // 執行緒2

下面從快取的角度分析，注意假定指令沒有重排

b = 1;      // 執行緒1 - 寫入 CPU-0 的 store buffer
a = 2;      // 執行緒2 - 寫入 CPU-1 的 store buffer
r.r1 = b;   // 執行緒2 - 馬上執行
r.r2 = a;   // 執行緒1 - 馬上執行
// 執行緒1 - 將 store buffer 中的 b = 1 寫入 cache, 晚了
// 執行緒2 - 將 store buffer 中的 a = 2 寫入 cache, 晚了

我們關注問題的點

以上介紹了多執行緒讀寫共享變數可能發生的哪些問題?但對於程式設計師而言，我們不應當關注究竟是編譯器優化、Processor 優化、快取優化。否則，就好像開啟了潘多拉魔盒！

JMM記憶體模型

什麼是JMM

A memory model describes, given a program and an execution trace of that program, whether the execution trace is a legal execution of the program. A high level, informal overview of the memory model shows it to be a set of rules for when writes by one thread are visible to another thread.

多執行緒下，共享變數的讀寫順序是頭等大事，記憶體模型就是多執行緒下對共享變數的一組讀寫規則

共享變數值是否線上程間同步
程式碼可能的執行順序
需要關注的操作就有兩種Load、Store
- Load 就是從快取讀取到暫存器中，如果一級快取中沒有，就會層層讀取二級、三級快取，最後才是Memory
- Store 就是從暫存器運算結果寫入快取，不會直接寫入Memory，當Cache line 將被eject 時，會
  writeback 到Memory

JMM規範

規則一 Race Condition

在多執行緒下，沒有關係依賴的程式碼，在操作共享變數時（至少有一個執行緒寫），並不能保證按編寫順序（Program Order）執行，這稱為發生了競態條件（Race Conditon）。

例如

有共享變數 x，執行緒 1 執行

r.r1 = y; 
r.r2 = x;

執行緒 2 執行

x = 1; 
y = 1;

最終的結果可能是 r11 而 r20

競態條件是為了更好的 data race free。

規則二 Syncronization Order

若要保證多執行緒下，每個執行緒的執行順序（Synchronization Order）按編寫順序（Program Order）執行，那麼必須使用 Synchronization Actions 來保證，這些 SA 有

lock，unlock
volatile 方式讀寫變數
VarHandle 方式讀寫變數

Synchronization Order 也稱之為 Total Order

例如

用 volatile 修飾共享變數 y，執行緒 1 執行

r.r1 = y; 
r.r2 = x;

執行緒 2 執行

x = 1; 
y = 1;

最終的結果就不可能是 r11 而 r20

SO並不是阻止多執行緒切換

錯誤的認識，執行緒 1 執行

synchronized(LOCK) { 
  r1 = x; //1 處 
  r2 = x; //2 處 
}

執行緒 2 執行

synchronized(LOCK) { 
  x = 1 
}

並不是說 //1 與 //2 處之間不能切換到執行緒 2，只是即使切換到了執行緒 2，因為執行緒 2 不能拿到 LOCK 鎖導致被阻塞，執行權又會輪到執行緒 1

volatile 只用了一半算 SO 嗎?

用例1

int x; 
volatile int y;

之後採用

x = 10; //1 處 
y = 20; //2 處

此時 //1 處程式碼絕不會重排到 //2 處之後（只寫了 volatile 變數）

用例 2

int x; 
volatile int y;

執行下面的測試用例

@Actor 
public void a1(II_Result r) { 
  y = 1; //1 處 
  r.r2 = x; //2 處 
}
@Actor 
public void a2(II_Result r) { 
  x = 1; //3 處 
  r.r1 = y; //4 處 
}

//1 //2 處的順序可以保證（只寫了 volatile 變數），但 //3 //4 處的順序卻不能保證（只讀了 volatile 變數），仍會出現 r1r20 的問題

有時會很迷惑人，例如下面的例子

用例3

@Actor 
public void a1(II_Result r) { 
  r.r2 = x; //1 處 
  y = 1; //2 處 
}
@Actor 
public void a2(II_Result r) { 
  r.r1 = y; //3 處 
  x = 1; //4 處 
}

這回 //1 //2 （只寫了 volatile 變數）//3 //4 處（只讀了 volatile 變數）的順序均能保證了，絕不會出現r1r21 的情況

此外將用例 2 中兩個變數均用 volatile 修飾就不會出現 r1r20 的問題，因此也把全部都用 volatile 修飾稱為total order，部分變數用 volatile 修飾稱為 partial order

規則三 Happens Before

若是變數讀寫時發生執行緒切換（例如，執行緒 1 寫入 x，切換至執行緒 2，執行緒 2 讀取 x）在這些邊界的處理上如果有action1 先於 action 2 發生，那麼程式碼可以按確定的順序執行，這稱之為 Happens-Before Order 規則(Happens-Before Order 也稱之為 Partial Order).

用公式表達就是：

含義為：如果 action1 先於 action2 發生，那麼 action1 之前的共享變數的修改對於 action2 可見，且程式碼按 PO順序執行

具體規則

其中 $T_{n}$ 代表執行緒，而 x 未加說明，是普通共享變數，使用 volatile 會單獨說明

1）執行緒的啟動和執行邊界

2）執行緒的結束和join邊界

3）執行緒的打斷和得知打斷的邊界

4）unlock 與 lock 邊界

5）volatile write 與 volatile read 邊界

6）傳遞性

規則四 Causality

Causality 即因果律：程式碼之間如存在依賴關係，即使沒有加 SA 操作，程式碼的執行順序也是可以預見的

回顧一下

多執行緒下，沒有依賴關係的程式碼，在共享變數讀寫操作（至少有一個執行緒寫）時，並不能保證以編寫順序（Program Order）執行，這稱為發生了競態條件（Race Condition）

如果有一定的依賴關係呢？

@JCStressTest
@Outcome(id = {"0", "0"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "ACCEPTABLE")
@Outcome(expect = Expect.FORBIDDEN, desc = "FORBIDDEN")
@State
public class Case {
    int x;
    int y;

    @Actor
    public void a1(IIResult r) {
        r.r1 = x;
        y = r.r1;
    }

    @Actor
    public void a2(IIResult r){
        r.r2 = y;
        x = r.r2;
    }
}

x 的值來自於 y，y 的值來自於 x，而二者的初始值都是 0，因此沒有可能有其他結果

規則五安全釋出

若要安全構造物件，並將其共享使用，需要用 final 或 volatile 修飾其成員變數，並避免 this 溢位情況(靜態成員變數可以安全地釋出)

例如

class Holder{
    int x1;
    volatile int x2;

    public Holder(int x) {
        x1=x;
        x2=x;
    }
}

需要將它作為全域性使用

Holder f;

兩個執行緒，一個建立，一個使用

Holder holder;

@Actor
public void a1(){
  holder = new Holder(1);
}

@Actor
public void a2(IIResult r){
  Holder holder = this.holder;
  if (holder != null){
    r.r1 = holder.x1 +holder.x2;
  }else {
    r.r1 = -1;
  }
}

可能看見未構造完整的物件

同步動作

前面沒有詳細展開從規則 2 之後的講解，是因為要理解規則，還需理解底層原理，即記憶體屏障

記憶體屏障

LoadLoad

防止 y 的 Load 重排到 x 的 Load 之前
```
if(x) { 
  LoadLoad 
    return y 
}
```
意義：x == true 時，再去獲取 y，否則可能會由於重排導致 y 的值相對於 x 是過期的

LoadStore

防止 y 的 Store 被重排到 x 的 Load 之前

StoreSotre

防止 A 的 Store 被重排到 B 的 Store 之後
```
A = x 
StoreStore 
B = true
```
意義：在 B 修改為 true 之前，其它執行緒別想看到 A 的修改
- 有點類似於 sql 中更新後，commit 之前，其它事務不能看到這些更新（B 的賦值會觸發 commit 並撤除屏障）

StoreLoad

意義：屏障前的改動都同步到主存 ，屏障後的 Load 獲取主存最新資料，發生線上程切換時，並且使得藍色執行緒所有的寫操作寫入主存，使得紅色執行緒能讀取到最新資料
- 防止屏障前所有的寫操作，被重排序到屏障後的任何的讀操作，可以認為此 store -> load 是連續的
- 有點類似於 git 中先 commit，再遠端 poll，而且這個動作是原子的

如何記憶

LoadLoad + LoadStore = Acquire 即讓同一執行緒內讀操作之後的讀寫上不去，第一個 Load 能讀到主存最新值
LoadStore + StoreStore = Release 即讓同一執行緒內寫操作之前的讀寫下不來，後一個 Store 能將改動都寫入主存
StoreLoad 最為特殊，還能用線上程切換時，對變數的寫操作 + 讀操作做同步，只要是對同一變數先寫後讀，那麼屏障就能生效

Volatile

本質

事實上對 volatile 而言 Store-Load 屏障最為有用，簡化起見以後的分析省略部分其他屏障

作用

保證單一變數的原子性
控制了可能的執行路徑：執行緒內按屏障有序，執行緒切換時按HB有序
可見性：執行緒切換時若發生了讀寫則變數可見，順帶影響普通變數可見

volatile的用途

凡是需要cas操作的地方

比如AtomicInteger的原始碼

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final Unsafe U = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");
    private volatile int value; 
    
    // ...

    public final boolean compareAndSet(int expectedVal, int newVal) {
        return U.compareAndSetInt(this, VALUE, expectedVal, newVal);
    }
    
    // ...
}

AbstractQueuedSynchronizer的原始碼

public abstract class AbstractQueuedSynchronizer extends AbstractOwnableSynchronizer implements java.io.Serializable {
    private transient volatile Node head;
    private transient volatile Node tail;
    private volatile int state;

    protected final int getState() {
        return state;
    }

    protected final boolean compareAndSetState(int e, int n) {
        return U.compareAndSetInt(this, STATE, e, n);
    }

    final void enqueue(Node node) {
        if (node != null) {
            for (; ; ) {
                Node t = tail;
                node.setPrevRelaxed(t);
                if (t == null) tryInitializeHead();

                else if (casTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    if (t.status < 0) LockSupport.unpark(node.waiter);
                    break;
                }
            }
        }
    }

    private void tryInitializeHead() {
        Node h = new ExclusiveNode(); // 頭
        if (U.compareAndSetReference(this, HEAD, null, h)) tail = h;
    }

    private boolean casTail(Node c, Node v) {
        return U.compareAndSetReference(this, TAIL, c, v);
    }
}

ConcurrentHashMap原始碼

public class ConcurrentHashMap<K, V> extends AbstractMap<K, V> implements ConcurrentMap<K, V>, Serializable {
    /**
     * Table initialization and resizing control. When negative, the
     * table is being initialized or resized: -1 for initialization,
     * else -(1 + the number of active resizing threads). Otherwise,
     * when table is null, holds the initial table size to use upon
     * reation, or 0 for default. After initialization, holds the
     * next element count value upon which to resize the table.
     */
    private transient volatile int sizeCtl;
    /**
     * The array of bins. Lazily initialized upon first insertion.
     * Size is always a power of two. Accessed directly by iterators.
     */
    transient volatile Node<K, V>[] table;

    private final Node<K, V>[] initTable() {
        Node<K, V>[] tab;
        int sc;
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
            if ((sc = sizeCtl) < 0) Thread.yield();
            else if (U.compareAndSetInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                try {
                    if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                        int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                        Node<K, V>[] nt = (Node<K, V>[]) new Node<?, ?>[n];
                        table = tab = nt;
                        sc = n - (n >>> 2);
                    }
                } finally {
                    sizeCtl = sc;
                }
                break;
            }
        }
        return tab;
    }
    // ... 
}

volatile負責保證可見性，cas來保證原子

Synchronized

本質

起始synchronized本質就是通兩個JVM指令：monitorenter和monitorexit來實現了，我們可以通過下面一段程式碼的來研究下，其原理

package com;

public class SynchronizedTest {
    static int i = 0;
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (SynchronizedTest.class){
            i++;
        }
    }
}

通過反編譯看下

 #......
 public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: ldc           #2                  // class com/SynchronizedTest
         2: dup
         3: astore_1
         4: monitorenter
         5: getstatic     #3                  // Field i:I
         8: iconst_1
         9: iadd
        10: putstatic     #3                  // Field i:I
        13: aload_1
        14: monitorexit
        15: goto          23
        18: astore_2
        19: aload_1
        20: monitorexit
        21: aload_2
        22: athrow
        23: return
#......

可以看到就是通過jvm指令monitorenter、monitorexit實現的，結合上圖，具體步驟如下：

我們知道synchronized是通加物件鎖來實現的，但是這個物件是否作為鎖而存在呢？

當執行緒1執行synchronized時，jvm呼叫monitorenter時，就會先作業系統申請一個作業系統的Moniter鎖（底層由c++實現的），並把其地址存放在LOCK物件頭中。
當執行緒1根據LOCK物件頭找到Moniter鎖，判斷owner是否被佔用，沒有被佔用，就會修改其值，等於持有了鎖。
大概執行緒2同樣會執行monitorenter指令，根據LOCK物件頭找到Moniter鎖，判斷owner是否被佔用，發現已經被佔用，首先會自旋嘗試獲取，一定次數沒獲取到，就會進入EntryList佇列等待，並從執行狀態變成阻塞狀態，執行緒3也是如此。
當執行緒1執行完畢或出現異常時就會執行monitorexit，釋放owner並喚醒EntryList中的被阻塞執行緒，具體都佇列頭還是佇列尾部去喚醒，這個根據具體演算法實現，這裡不做贅述。
假如執行緒2被喚醒就會去獲取owner是否空閒，空閒了就佔用，執行緒3依然處於阻塞狀態。

相關記憶體屏障

優化（JDK1.6之後）

重量級
- 當有競爭時，仍會向系統申請 Monitor 互斥鎖
輕量級鎖
- 如果執行緒加鎖、解鎖時間上剛好是錯開的，這時候就可以使用輕量級鎖，只是使用 cas 嘗試將物件頭替換為該執行緒的鎖記錄地址，如果 cas 失敗，會鎖重入或觸發重量級鎖升級
偏向鎖
- 打個比方，輕量級鎖就好比用課本佔座，執行緒每次佔座前還得比較一下，課本是不是自己的（cas），頻繁 cas 效能也會受到影響
- 而偏向鎖就好比座位上已經刻好了執行緒的名字，執行緒【專用】這個座位，比 cas 更為輕量
- 但是一旦其他執行緒訪問偏向物件，那麼比較麻煩，需要把座位上的名字擦去，這稱之為偏向鎖撤銷，鎖也升級為輕量級鎖
- 偏向鎖撤銷也屬於昂貴的操作，怎麼減少呢，JVM 會記錄這一類物件被撤銷的次數，如果超過了 20 這個閾值，下次新執行緒訪問偏向物件時，就不用撤銷了，而是刻上新執行緒的名字，這稱為重偏向
- 如果撤銷次數進一步增加，超過 40 這個閾值，JVM 會認為這一類物件不適合採用偏向鎖，會對它們禁用偏向鎖，下次新建物件會直接加輕量級鎖

無鎖與有鎖

synchronized 更為重量，申請鎖、鎖重入都要發起系統呼叫，頻繁呼叫效能會受影響
synchronized 如果無法獲取鎖時，執行緒會陷入阻塞，引起的執行緒上下文切換成本高
雖然做了一系列優化，但輕量級鎖、偏向鎖都是針對無資料競爭場景的
如果資料的原子操作時間較長，仍應該讓執行緒阻塞，無鎖適合的是短頻快的共享資料修改操作主要用於計數器、停止標記、或是阻塞前的有限嘗試

VarHandle

目前無鎖問題實現

目前Java 中的無鎖技術主要體現在以AtomicInteger 為代表的的原子操作類，它的底層使用Unsafe 實現，而Unsafe 的問題在於安全性和可移植性
此外，volatile 主要使用了Store-Load 屏障來控制順序，這個屏障還是太強了，有沒有更輕量級的解決方法呢？

Varhandle快速上手

在Java9 中引入了VarHandle，來提供更細粒度的記憶體屏障，保證共享變數讀寫可見性、有序性、原子性。提供了更好的安全性和可移植性，替代Unsafe 的部分功能

建立

public class TestVarHandle {
   int x;
   static VarHandle X;
   
   static {
       try {
           X = MethodHandles.lookup()
               .findVarHandle(TestVarHandle.class, "x", int.class);
       } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
           e.printStackTrace();
       }
   }
}

讀寫

方法名	作用	說明
get	獲取值	與普通變數取值一樣，會重排、有不可見現象
set	設定值
getOpaque	獲取值	對其保護的變數，保證其不重排和可見性，但不使用屏障，不阻礙其它變數
setOpaque	設定值
getAcquire	獲取值	相當於get 之後加LoadLoad + LoadStore
setRelease	設定值	相當於set 之前加LoadStore + StoreStore
getVolatile	獲取值	語義同volatile，相當於獲取之後加LoadLoad + LoadStore
setVolatile	設定值	語義同volatile，相當於設定之前加LoadStore + StoreStore，設定之後加StoreLoad
compareAndSet	原子賦值	原子賦值，成功返回true，失敗返回false

總結

JMM 是研究的是

多執行緒下Java 程式碼的執行順序，實際程式碼的執行順序與你編寫的程式碼順序不同
共享變數的讀寫操作，在競態條件下，需要考慮共享變數讀寫的原子性、可見性、有序性

共享變數的問題起因

原子性是由於作業系統的分時機制，執行緒切換所致
有序性和可見性可能來自於編譯器優化、處理器優化、快取優化

JMM 制定了一些規則，理解這些規則，才能寫出正確的執行緒安全程式碼

競態條件會導致程式碼順序被重排
利用synchronized、volatile 一些SA，可以控制執行緒內程式碼的執行順序
執行緒切換時的執行順序與可見性，遵守HB 規則
HB 規則還不足夠，需要因果律作為補充
可以通過final 或volatile 實現物件的安全釋出

從底層理解volatile 與synchronized

記憶體屏障
synchronized 是如何解決原子性、可見性、有序性問題的，有哪些優化
volatile 是如何解決可見性、有序性問題的，與cas 結合的威力
VarHandle 是如何解決可見性、有序性問題的

更多安全問題

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多執行緒讀寫共享變數

問題演示

永遠的迴圈

加加減減

第四種可能

問題解密

迴圈問題-揭祕

加加減減問題-解密

第四種可能-揭祕

思考為什麼

編輯器優化

Processor優化

execute out of order

快取優化

例子

我們關注問題的點

JMM記憶體模型

什麼是JMM

JMM規範

規則一 Race Condition

規則二 Syncronization Order

SO並不是阻止多執行緒切換

volatile 只用了一半算 SO 嗎?

規則三 Happens Before

具體規則

1）執行緒的啟動和執行邊界

2）執行緒的結束和join邊界

3）執行緒的打斷和得知打斷的邊界

4）unlock 與 lock 邊界

5）volatile write 與 volatile read 邊界

6）傳遞性

規則四 Causality

規則五安全釋出

同步動作

記憶體屏障

LoadLoad

LoadStore

StoreSotre

StoreLoad

如何記憶

Volatile

本質

作用

volatile的用途

Synchronized

優化（JDK1.6之後）

無鎖與有鎖

VarHandle

目前無鎖問題實現

Varhandle快速上手

更多安全問題

單個變數讀寫原子性

Object alignment

字分裂

陣列元素讀寫測試

BigSet讀寫測試

Unsafe 直接操作記憶體

安全釋出

構造也不安全

使用volatile改進

總結

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