JMM——Java内存模型

JMM即Java内存模型(Java memory model)，在JSR133里指出了JMM是用来定义一个 「一致的、跨平台」
的内存模型，是缓存一致性协议，用来定义数据读写的规则。

内存可见性

在Java中，不同线程拥有各自的私有 「工作内存」
，当线程需要读取或修改某个变量时，不能直接去操作 「主内存」
中的变量，而是需要将这个变量的读取到线程的 「工作内存」
的 「变量副本」
中，当该线程修改其变量副本的值后， 「其它线程并不能立刻读取到新值」
，需要将修改后的值 「刷新到主内存中」
，其它线程才能 「从主内存读取到修改后的值」
。

指令重排序

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序，指令重排序使得代码在 「多线程」
执行时会出现一些问题。

其中最著名的案例便是在 「初始化单例」
时由于 「可见性」
和 「重排序」
导致的错误。

单例模式

public class Singleton {
private static Singleton singleton;
private Singleton() {
    }
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
            singleton = new Singleton();
        }
return singleton;
    }
}

以上代码是经典的 「懒汉式」
单例实现，但在多线程的情况下，多个线程有可能会同时进入 if (singleton == null)
，从而执行了多次 singleton = new Singleton()
，从而破坏单例。

public class Singleton {
private static Singleton singleton;
private Singleton() {
    }
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
return singleton;
    }
}

以上代码在检测到 singleton
为null后，会在同步块中再次判断，自以为可以保证同一时间只有一个线程可以初始化单例，但仍然存在问题。原因就是Java中 singleton = new Singleton()
语句并不是一个 「原子指令」
，而是由三步组成：

1. 为对象分配内存
2. 初始化对象
3. 将对象的内存地址赋给引用

但是当经过 「指令重排序」
后，会变成：

1. 为对象分配内存
2. 将对象的内存地址赋给引用（会使得singleton != null）
3. 初始化对象

所以就存在一种情况，当线程A已经将内存地址赋给引用时，但 「实例对象并没有完全初始化」
，同时线程B判断 singleton
已经不为null，就会导致B线程 「访问到未初始化的变量」
从而产生错误。

public class Singleton {
private static volatile Singleton singleton;
private Singleton() {
    }
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
return singleton;
    }
}

以上代码对 singleton
变量添加了 volatile
修饰，可以阻止 「局部指令重排序」
。
那么为什么volatile可以保证变量的可见性和阻止指令重排序？

volatile

1. 规定线程每次修改变量副本后立刻同步到主内存中，用于保证其它线程可以看到自己对变量的修改
2. 规定当线程使用变量前，先从主内存中刷新最新的值到工作内存，用于保证能看见其它线程对变量修改的最新值

3. 为了实现可见性内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入 「内存屏障」
   来 「防止指令重排序」
   。

1. volatile只能保证基本类型变量的内存可见性，对于引用类型，无法保证引用所指向的 「实际对象内部数据」
   的内存可见性。关于引用变量类型详见：Java的数据类型。

2. volilate只能解决共享对象的可见性，不能保证原子性：假设两个线程同时在做x++，在线程A修改共享变量从0到1的同时，线程B 「已经正在使用」
   值为0的变量，所以这时候 「可见性已经无法发挥作用」
   ，线程B将其修改为1，所以最后结果并不是2而是1。

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