从硬件缓存入门到并发编程三要素详解 Java中 volatile 、final 等关键字解析、单例模式案例

引入高速缓存概念

1. 在计算机在执行程序时，以指令为单位来执行，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。

2. 由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行指令的速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程相对很慢，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此就引入了高速缓存。

3. 特性：缓存(Cache memory)是硬盘控制器上的一块内存，是硬盘内部存储和外界接口之间的缓冲器。

高速缓存作用呢？

1. 预读取

   ​ 相当于提前加载，猜测你可能会用到硬盘相邻存储地址的数据，它会提前进行加载到缓存中，后面你需要时，CPU就不需要去硬盘读取数据，直接读取缓存中的数据传输到内存中就OK了，由于读取缓存的速度远远高于读取硬盘时磁头读写的速度，所以能够明显的改善性能。

2. 对写入动作进行缓存

   ​ 硬盘接到写入数据的指令之后，并不会马上将数据写入到盘片上，而是先暂时存储在缓存里，然后发送一个“数据已写入”的信号给系统，这时系统就会认为数据已经写入，并继续执行下面的工作，而硬盘则在空闲(不进行读取或写入的时候)时再将缓存中的数据写入到盘片上。

3. 换到应用程序层面也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据同步到主存当中。

举个简单的例子，比如下面的这段代码：

i = i + 1;

• 当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。

• 这个代码在单线程中运行是没有任何问题的，但是在多线程中运行就会有问题了（存在临界区）。在多核CPU中，每条线程可能运行于不同的CPU中，因此每个线程运行时有自己的高速缓存区（对单核CPU来说，其实也会出现这种问题，只不过是以线程调度的形式来分别执行的）。

比如有两个线程像下列执行顺序：

1. 线程一执行 i = i + 1，线程二执行var = i
2. 线程二此时去主存中获取变量 i，线程一只是在高速缓存中更新了变量，还未将变量i写会主存
3. 线程二读到的i不是最新值，此时多线程导致数据不一致

​ 类似上面这种情况即为缓存一致性问题。读写场景、双写场景都会存在缓存一致性问题，但读读不会。前提是需要在多线程运行的环境下，并且需要多线程去访问同一个共享变量。

​ 这里的共享又可以回到上文中，即为上面所说，他们每个线程都有自己的高速缓存区，但是都是从同一个主存同步获取变量。

那么这种问题应该怎样解决呢？

解决缓存不一致问题（硬件层面）

1. 总线加锁模式
   • 由于CPU在执行命令和其他组件进行通信的时候都需要通过总线，倘若对总线加锁的话，线程一执行i = i + 1 整个命令过程中，其他线程是无法访问主存的。
   • 优缺只有一个，可以解决本问题；缺点的话除了优点全是缺点，效率低，成本高·····（谁也不会让一个主存同时只能干一件事）
2. 缓存一致性协议
   • 协议可以保证每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的，原理：CPU对主存中的共享变量有写入操作时，会立即通知其他CPU将该变量缓存行置为无效状态。其他CPU发现该变为无效状态时，就会重新去主存中读取该变量最新值。
   • 优点就是可以解决问题，读多写少效率还OK；缺点就是实现繁琐，较耗费性能，在对于写多的场景下效率很不可观

​ 问题：线程为什么会不安全？

​ 答：共享资源不能及时同步更新，归根于 分时系统 上下文切换时 指令还未执行完毕 (没有写回结果) 更新异常

引入并解释并发编程特性

​ 众所周知现在的互联网大型项目，都是采用分布式架构同时具有其“三高症状”，高并发、高可用、高性能。高并发为其中最重要的特性之一，在高并发场景下并发编程就显得尤为重要，其并发编程的特性为原子性、可见性、有序性。

原子性指的是一个或多个操作要么全部执行成功要么全部执行失败，期间不能被中断，也不存在上下文切换，线程切换会带来原子性的问题。

• 变量赋值问题：

  • b 变量赋值的底层字节码指令被分为两步：第一步先定义 int b；第二步再赋值为 10。

  • 两条指令之间不具有原子性，且在多线程下会发生线程安全性问题

    int b = 10;

可见性指的是当前线程对共享变量的修改对其他线程来说是可见的。以下案例中假设不会出现多线程原子性问题（比如多个线程写入覆盖问题等），即保证一次变量操作底层执行指令为原子性的。

例如上述变量在读写场景下，不能保证其可见性，导致写线程完成修改指令时但为同步到主存中，读线程并不能获得最新值。这就是对于B线程来说没有满足可见性。

• 案例解析：final关键字

  • final 变量可以保证其他线程获取的该变量的值是唯一的。变量指成员变量或者静态变量

  • b 变量赋值的底层字节码指令被分为两步：第一步先定义 int b；第二步再赋值为 10

    final a = 10;             int b = 10;

  • final修饰的变量在其指令后自动加入了写屏障，可以保证其变量的可见性

  • a 可以保证其他线程获取的值唯一；b 不能保证其他线程获取到的值一定是 10，有可能为 0。

  • 读取 final 变量解析 ：

    • 不加 final 读取变量时去堆内存寻找，final 变量是在栈空间，读取速度快
    • 读取 final 变量时，直接将其在栈中的值复制一份，不用去 getstatic ，性能得到提升
    • 注意：不是所有被 final 修饰的变量都在栈中。当数值超过变量类型的 MAX_VALUE 时，将其值存入常量池中
    • 读取变量的速度：栈 > 常量池 > 堆内存

• final 可以加强线程安全，而且符合面向对象编程开闭原则中的close，例如子类不可继承、方法不可重写、初始化后不可改变、非法访问（如修饰参数时，该参数为只读模式）等

有序性指的是程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

在Java中有序性问题会时常出现，由于我们的JVM在底层会对代码指令的执行顺序进行优化（提升执行速度且保证结果），这只能保证单线程下安全，不能保证多线程环境线程安全，会导致指令重排发生有序性问题。

案例：排名世界第一的代码被玩坏了的单例模式

DCL（double checked）：加入 volatile 保证线程安全，其实就是保证有序性。

上代码：其中包括了三个问题并且有详细注释解释。（鸣谢itheima满一航老师）

1. 为什么加入 volatile 关键字？
2. 对比实现3（给静态代码块加synchronized） 说出这样做的意义？
3. 为什么要在这里加空判断，之前不是判断过了吗？

final class SingletonLazyVolatile {
    private SingletonLazyVolatile() { }
    // 问题1：为什么加入 volatile 关键字？
    // 答：   防止指令重排序 造成返回对象不完整。 如 TODO
    private static volatile SingletonLazyVolatile INSTANCE = null;
    // 问题2：对比实现3（给静态代码块加synchronized） 说出这样做的意义？
    // 答：没有锁进行判断、效率较高
    public static SingletonLazyVolatile getInstance() {
        if (INSTANCE != null) {
            return INSTANCE;
        }
        // 问题3：为什么要在这里加空判断，之前不是判断过了吗？
        // 答：假入t1 先进入判断空成立，先拿到锁， 然后到实例化对象这一步（未执行）
        //    同时 线程 t2 获取锁进入阻塞状态，若 t1 完成创建对象后，t2 没有在同步块这进行判空，t2 会再新创建一个对象，
        //    导致 t1 的对象被覆盖 造成线程不安全。
        synchronized (SingletonLazyVolatile.class) {  // t1
            if (INSTANCE != null) {
                return INSTANCE;
            }
            INSTANCE = new SingletonLazyVolatile();   // t1  这行代码会发生指令重排序，需要加入 volatile
            // 如：先赋值指令INSTANCE = new SingletonLazyVolatile，导致实例不为空，下一个线程会判空失败直接返回该对象
            // 但是构造方法()指令还没执行，返回的就是一个不完整的对象。
            return INSTANCE;
        }
    }
}

通过对并发编程的三要素介绍，也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

补充volatile知识：

• volatile 只保证可见性（多线程下对变量的修改是可见的）、有序性（禁止进行指令重排序）

• volatile 的底层实现原理是内存屏障（内存栅栏），Memory Barrier（Memory Fence），内存屏障会提供3个功能：

  • 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成
  • 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存
  • 如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效

• volatile修饰之后的变量会加入读写屏障

  • 写屏障（sfence）：保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中

  • 读屏障（lfence）：保证在该屏障之后的， 对共享变量的读取，加载的是主存中的最新数据

  • 对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障

  • 对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障

关于volatile 的用途像两阶段终止、单例双重锁等等：

两阶段终止--volatile

    @Log
    public class TwoPhaseStop {
 
        // 监控线程
        private Thread monitorThread;
 
        // 多线程共享变量 单线程写入（停止线程） 多线程读取 使用 volatile
        private volatile boolean stop = false;
 
        // 启动监控线程
        public void start() {
            monitorThread = new Thread(() -> {
                log.info("开始监控");
                while (true) {
                    log.info("监控中");
                    Thread currentThread = Thread.currentThread();
                    if (stop) {
                        log.info("正在停止");
                        break;
                    }
                    try {
                        log.info("正常运行");
                        Thread.sleep(5000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        // sleep出现被打断异常后、被打断后会清除打断标记
                        // 需要重新打断标记
                        currentThread.interrupt();
                    }
                }
                log.info("已停止");
            },"monitor");
            monitorThread.start();
        }
 
        // 停止监控线程
        public void stop() {
            stop = true;
            monitorThread.interrupt();
        }
 
    }

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下篇预告：synchronized 和 volatile 区别和底层原理