之前在学习volatile时，踩过一些坑。通过这些坑，学习了一些jvm的锁优化机制。后来在面试的过程中，被问到的概率还挺高。于是，我整理了这篇踩坑记录。
1. java多线程内存模型
在聊踩坑记录前，先要了解下java多线程内存模型。大家可通过“并发编程网”的一篇文章去学习这块知识，网址是http://ifeve.com/java-memory-model-1/。下面截取部分段落，先让大家熟悉下。
在java中，所有实例域、静态域和数组元素存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享（本文使用“共享变量”这个术语代指实例域，静态域和数组元素）。
局部变量（Local variables），方法定义参数（java语言规范称之为formal method parameters）和异常处理器参数（exception handler parameters）不会在线程之间共享，它们不会有内存可见性问题，也不受内存模型的影响。
Java线程之间的通信由Java内存模型（本文简称为JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。
从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。
本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。
Java内存模型的抽象示意图如下：
多线程内存模型从上图来看，线程A与线程B之间如要通信的话，必须要经历下面2个步骤：
1、首先，线程A把本地内存A中更新过的共享变量副本刷新到主内存中去。
2、然后，线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。
上面内容可以总结如下：
1、多线程在运行时，会有主内存和工作内存的区分。
2、每个线程都有各自的工作内存，工作内存会复制一份主内存的变量副本。
3、线程其后的运行，都是修改工作内存中的变量副本。然后在某个时间，再同步到主存中。
4、这种工作机制，可能使得多个线程在同一个时刻获取到的变量值不同。
2. volatile关键字的作用
2.1. volatile关键字语义
共享变量被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：
1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其他线程来说是立即可见的。
2）禁止进行指令重排序。
2.2. volatile关键字如何保证线程间的可见性？
1、使用volatile关键字，线程会将修改的值立即同步至主内存中
2、使用volatile关键字，线程会强制从主存中读取值。
3、所以，这就保证了某个线程修改的值，会立即被其余线程获得。
2.3. volatile关键字不保证原子性
volatile并不能代替synchronized关键字，因为它不能保证原子性。
下面给大家举个例子：
1、多个线程对变量i进行自增操作。
2、A线程从主存中获得变量i的值，为6.
3、在A获取主存的值后，B线程将运算结果7同步至主存。
4、A线程对变量i进行i++操作，然后同步至主存。主存结果依然为7。这时i++明显小于预期结果。
造成上述原因，就是因为volatile关键字不能保证自增操作的原子性。
3. 踩坑之synchronized的可见性
看完java多线程模型和volatile关键字的作用，我们正式来聊踩坑记录。
public class VolatileTest implements Runnable {
public static String name = "dog";
@Override
public void run() {
while (true) {
System.out.println(name);
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileTest volatileTest = new VolatileTest();
Thread thread = new Thread(volatileTest);
thread.start();
// 让主线程睡一段时间，保证子线程的开启。
Thread.sleep(5000);
VolatileTest.name = "wangcai";
}
}
上述的name字段，我并没有加volatile关键字。我还调用了Thread.sleep(5000);,以便让子线程先开启。
按照多线程模型的描述，子线程里的name字段应该是拷贝的变量副本“dog”。所以我在主线程修改name值为“wangcai”，并不对子线程可见。所以，按理来说，应无限循环打印“dog”。但事实上，打印结果如下：
dog
dog
dog
wangcai
wangcai
wangcai
这和上面的原理不符啊，一度让我十分困惑。后来我翻了下System.out.println的源码，发现其源码如下：
public void println(String x) {
synchronized (this) {
print(x);
newLine();
}
}
看到源码，答案也就呼之欲出了。因为println方法添加了synchronized关键字。synchronized不仅能保证原子性，还能保证代码块里变量的可见性。所以，每次打印的值都是从主存中获取的，自然也就变为了“wangcai”。
4. 踩坑之我以为我懂了
发现上述原因后，我决定不再用System.out.println打印变量，这样就不会触发从主存中读取数据。然而我还是太天真，事情的发展就是这么曲折。
我修改的代码如下：
public class VolatileTest implements Runnable {
public static String name = "dog";
@Override
public void run() {
for (; ; ) {
if ("wangcai".equals(name)) {
break;
}
System.out.println("我不是旺财");
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileTest volatileTest = new VolatileTest();
Thread thread = new Thread(volatileTest);
thread.start();
Thread.sleep(5000);
VolatileTest.name = "wangcai";
}
}
这次我仍然没有添加volatile关键字，更没有打印name变量。按理说，这次应该无限循环打印“我不是旺财”了吧。但是线程跳出循环，并停止了。这时，我已经开始对多线程模型产生动摇了。经过探索，我又知道了“锁粗化”的概念。
5. 锁粗化
下面，我们看看《深入理解java虚拟机》对锁粗化的描述：
原则上,我们在编写代码的时候，总是推荐将同步块的作用范围限制得尽量小-只在共享数据的实际作用域中才进行同步，这样是为了使得需要同步的操作数量尽可能变小，如果存在锁竞争，那等待锁的线程也能尽快拿到锁。
大部分情况下，上面的原则都是正确的，但是如果一系列的连续操作都对同一个对象反复加锁和解锁，甚至加锁操作是出现在循环体中的，那即使没有线程竞争，频繁地进行互斥同步操作也会导致不必要的性能损耗。
如果虚拟机探测到有这样零碎的操作都对统一对象加锁，将会把加锁同步的范围扩展(粗化)到整个操作序列的外部。
将原代码生成的class文件进行反编译，得到如下代码：
public void run() {
while(!"wangcai".equals(name)) {
System.out.println("我不是旺财");
}
}
于是，while循环里的System.out.println("我不是旺财");具有同步代码块，每次都对PrintStream加锁。于是，经过虚拟机的锁粗化，锁扩展到了外部，可见性也扩展到了外部。所以子线程能看见主线程对name的改变，所以会让线程跳出，并停止。
6. 守得云开见月明
public class Test implements Runnable {
private static String name = "dog";
@Override
public void run() {
while (true) {
if ("wangcai".equals(name)) {
System.out.println(name);
break;
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Test test = new Test();
Thread thread = new Thread(test);
thread.start();
Thread.sleep(5000);
Test.name = "wangcai";
}
}
最终，将代码改成如上的样式。不加volatile,主线程对name的改变，子线程不可见。所以线程会一直循环，不退出。
加了volatile，主线程的对name的改变，子线程是可见的。所以会打出“wangcai”，并退出。
看到这里，如果你有某些疑问，我会觉得你好好研读上面的内容了。在while循环快中，我也加入了System.out.println函数，为什么没有进行锁粗化?这个依然是由反编译后的代码来决定的：
public void run() {
while(!"wangcai".equals(name)) {
;
}
System.out.println("我是旺财");
}
通过反编译得到的源码，我们发现虚拟机对第二个代码进行了优化，是将System.out.println("我是旺财");放在循环外的。而第一个优化后的代码，是将System.out.println("我不是旺财");放在循环里的。
所以，第二个不会进行锁粗化，而第一个会进行锁粗化。
7. 总结
上面就是我在学习volatile关键字时，遇到的各种坑。但是通过踩坑，我不仅更加深入了解了volatile关键字，我也学会了虚拟机的锁粗化机制。虽然我一开始是茫然的，但是我没有放弃思考。每一次的难题，都会让我弥补知识上的短板。走出自己的知识舒适区，你才能收获成长。
通过实战，你会更为扎实地掌握所学知识点。面试的时候，通过代码向面试官阐述自己的思考过程，更能凸显出你将理论融入实践的能力，而不只是“纸上谈兵”。
后面有机会，我还会和大家分享volatile关于“防止指令重排序”的特性以及其他锁优化机制。
还是那句话,愿我们共同进步！
作者：永不言Qi
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