07JVM_内存模型和CAS与原子类

一、内存模型

1.java内存模型

Java内存结构是JMM（Java Memory Model）的意思。JMM定义了一套在多线程读写共享数据（成员变量，数组）时，对数据的原子性，见性，有序性的规则和保障。

1.1 原子性

什么是原子性?

原子性是指一个操作是不可中断的，即使多个线程一起执行，一个线程一旦开始，就不会被其他线程干扰。

如何保证原子性

①synchronized(同步关键字)

synchronized(对象){
 
  原子操作代码
 
}

从第一个线程开始，给这个对象加锁，可以安全执行原子操作代码。其他线程需要排队等候

用synchronized解决并发问题

②各种Lock

synchronized 和各种 Lock 可以保证任一时刻只有一个线程访问该代码块，因此可以保障原子性

1.2 可见性

什么是可见性?

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

如何保证可见性

在 Java 中，可以借助synchronized、volatile 以及各种 Lock 实现可见性。如果我们将变量声明为 volatile ，这就指示 JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。

volatile

修饰成员变量和静态成员变量，避免线程从自己的工作缓存查找变量的值，必须到主存获取它的值，线程操作volatile变量都是直接操作主存

1.3有序性

什么是有序性?

①由于指令重排序问题，代码的执行顺序未必就是编写代码时候的顺序。

②指令重排序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也一致 ，所以在多线程下，指令重排序可能会导致一些问题。

③在Java中，volatile关键字可以禁止指令进行重排序优化

2.happens-before

介绍

happens-before规定哪些写操作对其他线程的读操作可见。是可见性与有序性的一套规则。

如何保证

①volatile

②synchronized

二、CAS与原子类

1.CAS无锁并发概述

1.介绍

①CAS全称compare and swap比较并交换

②当多个线程同时操作同一个资源，只能有一个线程操作成功。但是不会阻塞其他线程，其他线程只会收到操作失败的信号。

③CAS是一个乐观锁

补充

乐观锁：认为数据在一般情况下不会产生冲突，所以在数据提交更新的时候，才会对数据是否产生并发冲突进行检测，如果发现并发冲突，则返回错误信息，返回的错误信息可以根据自己的业务进行处理

悲观锁：总是假设最坏的情况，每次在获取共享数据的时候，都认为别人会修改，所以每次都在获取数据的时候加锁。共享资源每次只会给一个线程使用，其他线程阻塞，用完再把资源给其他线程

2.工作流程

读写的内存值V

进行比较的值A

需要写入的新值B

①内存中的原数据V，旧值A，修改的新值B。

②比较A与V是否相等

③如果相等，将B写入V(交换)

④返回操作是否成功

3.代码分析

多个线程对一个共享的整型变量执行+1操作

①CAS不加锁，使用while(true)死循环不管尝试/

②共享变量是从内存读取的，所以保证变量的可见性。使用volatile修饰

③调用compareAndSwap(旧值，新值)进行比较。

④compareAndSwap操作成功，退出循环。

⑤compareAndSwap操作失败，说明其他线程把这个共享变量修改了。需要再次循环读取

注意：

①CAS和volatile结合实现无锁并发，适用竞争不激烈，多核CPU（循环重试）

②竞争激烈，重试频繁发生，降低效率

③没有使用用synchronized，线程不会阻塞，提升效率。

4.CAS的缺点

①ABA问题，CAS更新操作的时候检查内存值是否变化，没有变化更新内存值。如果原来内存值A，后来变成B，然后再变回A。出现ABA问题，CAS检查没有变化，实际变化了。解决方法就是变量前面加一个版本号，每次更新版本号加1。这样变化成了1A2B3A

②循环时间长，开销大。CAS操作长时间不成功，会导致一直循环。CPU开销大

③只保证一个共享变量的原子操作。对一共享变量执行操作时，CAS能够保证原子操作，但对多个共享变量操作时，CAS无法保证操作的原子性。

2.CAS底层实现

介绍

CAS底层是依赖一个Unsafe类直接调用操作系统底层的CAS指令。

调用UnSafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现出CAS汇编指令

部分代码

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
 
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
 
}

参数说明

this Unsafe对象

valueOffset 共享变量的地址

expect 旧值

update 新值

如果原子变量中的 value 值等于 expect，则使用 update 值更新该值并返回 true，否则返回 false。

3.原子操作类

juc提供原子操作类，可以提供线程安全的操作。AtomicInteger,AtomicBoolean。底层实现是CAS+volatile实现