Java内存模型之可见性(填坑之路)

前几天路过一个经常负责面试的同事附近，看到几个人在讨论volatile的可见性问题，当时第一感觉是 ：“可见性还不简单吗？volatile修饰一个变量时，那么在一个线程都对这个变量的更改，其他线程都立即可见。”

后面听到这样一句话：“实际运行结果能刷新你的三观，网上的例子很多都是有问题的”，让我瞬间产生了兴趣。凑近一看，果然跟我的很多认知都产生了偏差。

为了解决其中的疑惑，查阅的不少文章，拨开了一些迷雾，现将结果整理出来，与大家一同探讨。

基础Java环境：
java version "1.8.0_172" Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_172-b11) Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.172-b11, mixed mode)

基本概念

Java内存模型

首先先复习一下内存模型的概念：

Java内存模型(即Java Memory Model，简称JMM)本身是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述的是一组规则或规范，通过这组规范 定义了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。

JVM程序运行的实体是线程，而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方称为栈空间)，用于存储线程私有的数据，而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问，但线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存拷贝的自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存，不能直接操作主内存中的变量，工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝，前面说过，工作内存是每个线程的私有数据区域，因此不同的线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信(传值)必须通过主内存来完成，其简要访问过程如下图：

image.png

volatile关键字

volatile是老生常谈的一个关键字，大家在编程中其实用得都很少，面试中比较常见，也正是这个原因，让大家对这一块的理解与实际结果产生了偏差。

volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制。volatile关键字有如下两个作用。
1）保证被volatile修饰的共享变量对所有线程 总是可见的，也就是当一个线程修改了一个被volatile修饰共享变量的值，新值总是可以被其他线程立即得知。
2）禁止指令重排序优化。

可见性

关于内存模型和volatile的概念本篇不做详细赘述，不熟悉的看官建议先百度一下。JMM是围绕 原子性、有序性、可见性 展开的，本文主要围绕内存模型的可见性出发，通过实际例子来探究其运行原理。

先思考一个问题：volatile保证的“立即可见”的反义是什么？

这是大家最容易想到的答案，应该是“不可见”，且有实实在在的例子让我们觉得“不可见”深根不移。

示例1:

package com.youzan;

/**
 * Date: 2018/8/12
 * @author xuzhiyi
 */
public class Test1 {

    private static boolean flag = true;

    private static int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (flag) {
                i++;
            }
            System.out.printf("**********test1 跳出成功, i=%d **********\n", i);
        });
        thread.start();
        Thread.sleep(100);
        flag = false;
        System.out.printf("**********test1 main thread 结束, i=%d **********\n", i);
    }
}

示例2:

package com.youzan;

/**
 * Date: 2018/8/12
 * @author xuzhiyi
 */
public class Test2 {

    private static volatile boolean flag = true;

    private static int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (flag) {
                i++;
            }
            System.out.printf("**********test2 跳出成功, i=%d **********\n", i);
        });
        thread.start();
        Thread.sleep(100);
        flag = false;
        System.out.printf("**********test2 main thread 结束, i=%d **********\n", i);
    }
}

示例1和示例2的唯一区别在于，示例2的flag有volatile修饰。上述示例的运行结果大家都“知道”，示例1会一直死循环，示例2会立即跳出循环。大家可能都运行过这两段（或者相似的）代码，大部分人对结果很满意，因为符合预期，没有加volatile关键字的成员变量多线程之间不可见。

回到刚刚那个问题，“立即可见”的反义是什么？

通过上述实践我们可以“肯定”的回答：“立即可见”的反义是“不可见”！！！而且是“一直不可见”

说到这里，可能有部分人有疑问了，“立即可见”的反义应该是“不立即可见”，说人话就是“可能过一段时间后可见，不一定是马上可见”。可是即使我们运行一万遍示例1的代码，都是一直不可见。怎么办？继续往下看。

实战

让没有volatile也能跳出循环

方式一

示例3:

package com.youzan;

/**
 * Date: 2018/8/12
 * @author xuzhiyi
 */
public class Test3 {

    private static boolean flag = true;

    private static int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (flag) {
                i++;
            }
            System.out.printf("**********test3 跳出成功, i=%d **********\n", i);
        });
        thread.start();
        Thread.sleep(1);
        flag = false;
        System.out.printf("**********test3 main thread 结束, i=%d **********\n", i);
    }
}

在示例3中，我仅将示例1中的sleep时间改为1毫秒，while循环即可成功跳出，输出结果如下：

**********test3 main thread 结束, i=60167 **********
**********test3 跳出成功, i=60167 **********

ps:主线程可能由于停顿时间太短，导致while循环根本没进去。重试几次，当i的值不为0即代表已经进入循环。

对比示例1和示例3我们可以得出一个结论：

  • 当主线程停顿时间很极短（1～2ms）时，可以跳出循环；
  • 当主线程停顿时间较长时，无法跳出循环；

结论变种1：

  • 当子线程循环执行时间极短（1～2ms）时，可以跳出循环；
  • 当子线程循环执行时间较长时，无法跳出循环；

结论变种2:

  • 当子线程循环次数较少时，可以跳出循环；
  • 当子线程循环次数较多时，无法跳出循环；

看上去是不是有点意思？代码的执行结果居然跟执行时间、循环次数有关？推断到这里，有些看官可能已经想到了JIT即使编译优化。没错，正是JIT的优化对运行结果产生了影响。

关于JIT
当虚拟机发现某个方法或代码块运行特别频繁时，就会把这些代码认定为“Hot Spot Code”（热点代码），为了提高热点代码的执行效率，在运行时，虚拟机将会把这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并进行各层次的优化，完成这项任务的正是 JIT 编译器。
运行过程中会被即时编译器编译的“热点代码”有两类：
1）被多次调用的方法。
2）被多次调用的循环体。

如何验证上述结论呢？

  • -Xint ：强制使用解释执行的方式启动java虚拟机，此模式下，不会使用JIT优化，示例1和示例3的代码都会跳出循环。
  • -Xcomp：强制使用编译执行的方式启动java虚拟机，此模式下，代码会被优化并编译成机器码，示例1和示例3都无法填出循环。

总结一下：mac下默认为-Xmixed混合模式，使用java -version可以查看，混合模式下只有热点代码达到一定阈值才会发生JIT优化，因此导致了上述看到的运行时间长短对运行结果的影响。

方式二

不少热心的网友在自己运行示例1代码的时候，会不由自主的加上一行print，如下：
示例4:

package com.youzan;

/**
 * Date: 2018/8/12
 * @author xuzhiyi
 */
public class Test4 {

    private static boolean flag = true;

    private static int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (flag) {
                i++;
                System.out.println("i=" + i);
            }
            System.out.printf("**********test4 跳出成功, i=%d **********\n", i);
        });
        thread.start();
        Thread.sleep(100);
        flag = false;
        System.out.printf("**********test4 main thread 结束, i=%d **********\n", i);
    }
}

上述代码一运行后成功跳出，可能又惊倒了一批看官，为什么多一行print结果又不一样了。而且就算在-Xcomp模式优化后也可以跳出。有点神奇吧？
为了找出原因，我对print代码进行了几次不同的替换：

示例5:

package com.youzan;

import java.util.HashMap;

/**
 * Date: 2018/8/12
 * @author xuzhiyi
 */
public class Test5 {

    private static boolean flag = true;

    private static int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (flag) {
                doSomeThing1();
            }
            System.out.printf("**********test4 跳出成功, i=%d **********\n", i);
        });
        thread.start();
        Thread.sleep(10);
        flag = false;
        System.out.printf("**********test4 main thread 结束, i=%d **********\n", i);
    }

    private static void doSomeThing1() {
        System.out.println("doSomeThing1");
    }

    private static void doSomeThing2() {
        synchronized (Test5.class) {
            i++;
        }
    }

    private static void doSomeThing3() {
        i++;
        Thread.yield();
    }

    private static void doSomeThing4() {
        new HashMap<>();
    }
}

上述代码中，不论是在循环体内执行哪一个方法（doSomeThing1~ doSomeThing4），都可以正常跳出循环。为什么呢？究竟是什么影响了线程对成员变量的可见性呢？我的结论如下：
根据java的内存模型规范，一个线程对普通变量的修改并不需要立即写回到主存，且另一个线程读取也不需要每一次都从主存中去读取。至于什么时候与主内存同步，虚拟机只需保证方法出栈时将修改的值同步到主内存。因此这其中有比较宽松的优化空间。而上述几个方法，都存在一定的同步空间。虚拟机会在此时与主内存同步。
ps:以上结论纯属猜测，没有很好的论据，欢迎大家探讨！

volatile的传播范围

思考两个问题：

  1. 把volatile对象传递给另一个对象，新对象是否立即可见呢？
  2. 当volatile修饰对象时，如果对象的嵌套的层级较深，那该对象的内部是否立即可见呢？

示例6:

package com.youzan;

/**
 * Date: 2018/8/12
 * @author xuzhiyi
 */
public class Test6 {

    private static volatile ReferenceFlag referenceFlag = new ReferenceFlag();

    private static int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            BaseFlag baseFlag = referenceFlag.baseFlag;
            while (baseFlag.flag) {
                i++;
            }
            System.out.printf("**********test6 跳出成功, i=%d **********\n", i);
        });
        thread.start();
        Thread.sleep(100);
        referenceFlag.baseFlag.flag = false;
        System.out.printf("**********test6 main thread 结束, i=%d **********\n", i);
    }

    static class BaseFlag {
        boolean flag = true;
    }

    static class ReferenceFlag {
        volatile BaseFlag baseFlag = new BaseFlag();
    }
}

在示例6中，使用了引用嵌套的方式来验证volatile是否可以传递给一个局部变量，示例中的引用都是用来volatile关键字来修饰，运行结果是无法跳出。

结论一：当使用一个变量来接受一个volatile修饰的变量时，volatile的可见性并不会传递。即新的变量不再具有volatile特性。

示例2:

package com.youzan;

/**
 * Date: 2018/8/12
 * @author xuzhiyi
 */
public class Test7 {

    private static int i = 0;

    private static volatile DeapReferenceInnerFlag deapReferenceInnerFlag = new DeapReferenceInnerFlag();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            while (deapReferenceInnerFlag.referenceInnerFlag.baseFlag.flag) {
                i++;
            }
            System.out.printf("**********test7 跳出成功, i=%d **********\n", i);
        });
        thread.start();
        Thread.sleep(100);
        deapReferenceInnerFlag.referenceInnerFlag.baseFlag.flag = false;
        System.out.printf("**********test7 main thread 结束, i=%d **********\n", i);
    }

    static class BaseFlag {
        boolean flag = true;
    }

    static class ReferenceInnerFlag {
        BaseFlag baseFlag = new BaseFlag();
    }

    static class DeapReferenceInnerFlag {
        ReferenceInnerFlag referenceInnerFlag = new ReferenceInnerFlag();
    }
}

示例7是一个多层嵌套的对象，只有最外层使用volatile修饰，当其内部的值改变后，使用链式调用的方式，则一直可以取到最新的值。

结论二：对于多层嵌套的对象，最外层使用volatile修饰，使用链式调用的方式，volatile的可见性可以传播。
ps:结论二没有很好的理论依据，仅从实践上看是如此。

总结

本篇结合实际的几个例子，讲述了几个认识误区。仅通过运行结果说明了一些问题，但依然不够深入，不足之处，还望指出。想深入探究的看官，可以参考下面的几篇文章。

参考文章

  1. 全面理解Java内存模型(JMM)及volatile关键字
  2. 并行编程之多线程共享非volatile变量，会不会可能导致线程while死循环
  3. 深入浅出 JIT 编译器
  4. 一个由JIT优化引发的问题
  5. JVM执行篇：使用HSDIS插件分析JVM代码执行细节
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