Java内存模型(JMM)开发应用

public class ConcurrencyProblems {
    private static boolean ready = false;
    private static int number = 0;
    public static void main(String[] args) {
        // 线程1：数据准备
        Thread writer = new Thread(() -> {
            number = 42;    // 操作1：可能被重排序到操作2之后
            ready = true;   // 操作2：可能先执行
        });
        // 线程2：数据处理
        Thread reader = new Thread(() -> {
            while (!ready) {
                // 等待ready变为true
                Thread.yield();
            }
            // 可能输出0而不是42！
            System.out.println("Number: " + number);
        });
        writer.start();
        reader.start();
    }
}

public class MemoryOperations {
    private int sharedValue = 0;
    public void operationExample() {
        // 1. read: 从主内存读取变量到传输通道
        // 2. load: 将read得到的值放入工作内存的变量副本
        // 相当于: int temp = sharedValue; (但这是高级语言表示)
        // 3. use: 将工作内存中的变量传递给执行引擎
        int result = sharedValue * 2;
        // 4. assign: 将执行引擎的结果赋给工作内存中的变量
        sharedValue = result + 1;
        // 5. store: 将工作内存中的变量值传输到主内存的传输通道
        // 6. write: 将store获取的值放入主内存的变量
        // 7. lock: 将主内存变量标记为线程独占状态
        // 8. unlock: 释放锁定的变量
    }
}

public class VolatileExample {
    private volatile boolean flag = false;
    private int value = 0;
    public void writer() {
        value = 42;      // 普通写操作
        // StoreStore内存屏障：禁止上面的普通写与下面的volatile写重排序
        flag = true;     // volatile写操作
        // StoreLoad内存屏障：确保volatile写立即对其他处理器可见
    }
    public void reader() {
        // LoadLoad内存屏障：确保volatile读之前的所有读操作已完成
        if (flag) {      // volatile读操作
            // LoadStore内存屏障：确保volatile读之后的写操作不会重排序到读之前
            System.out.println(value); // 保证看到value = 42
        }
    }
}

public class VolatileBarrier {
    private volatile int value;
    public void setValue(int newValue) {
        this.value = newValue;
        // 对应x86汇编代码：
        // mov    %eax,0x10(%rsi)   ; 将newValue存入value的内存地址
        // lock addl $0x0,(%rsp)    ; StoreLoad内存屏障（mfence指令）
    }
    public int getValue() {
        // volatile读在x86上不需要特殊指令
        // 因为x86的内存模型已经保证了可见性（TSO模型）
        return value;
    }
}

public class VolatileUsage {
    // 场景1：状态标志位
    private volatile boolean shutdownRequested;
    public void shutdown() {
        shutdownRequested = true;
    }
    public void doWork() {
        while (!shutdownRequested) {
            // 执行工作任务
        }
    }
    // 场景2：一次性安全发布
    private volatile Resource resource;
    public Resource getResource() {
        if (resource == null) {
            synchronized(this) {
                if (resource == null) {
                    resource = new Resource(); // 安全发布
                }
            }
        }
        return resource;
    }
}

public class SynchronizedMemory {
    private int counter = 0;
    private final Object lock = new Object();
    public void increment() {
        synchronized(lock) { 
            // monitorenter指令：
            // 1. 清空工作内存
            // 2. 从主内存重新加载所有共享变量
            counter++;
            // 临界区内的操作不会被重排序到临界区外
        } 
        // monitorexit指令：
        // 1. 将工作内存中的修改刷新到主内存
        // 2. 释放锁
    }
    public int getCounter() {
        synchronized(lock) {
            // 获取锁会强制从主内存重新读取变量
            return counter;
        }
    }
}

public class HappensBeforeExample {
    private int x = 0;
    private volatile boolean v = false;
    private int y = 0;
    private final Object lock = new Object();
    public void demo() {
        // 规则1：程序次序规则
        x = 1;          // 操作A
        v = true;       // 操作B：A happens-before B
        // 规则2：volatile变量规则
        if (v) {        // 操作C：B happens-before C
            y = x;      // 操作D：C happens-before D
        }
        // 规则3：传递性规则
        // A happens-before B, B happens-before C, C happens-before D
        // 因此 A happens-before D
        // 规则4：管程锁定规则
        synchronized(lock) { // 加锁E
            x = 2;          // 操作F：E happens-before F
        } // 解锁G：F happens-before G
        // 规则5：线程启动规则
        Thread t = new Thread(() -> {
            System.out.println(x); // 看到x=2
        });
        t.start(); // start() happens-before 线程中的所有操作
        // 规则6：线程终止规则
        try {
            t.join(); // 线程中的所有操作 happens-before join()返回
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        // 规则7：对象终结规则
        // 对象的构造函数执行结束 happens-before finalize()方法开始
    }
}

public class AtomicityExample {
    private int basicType = 0; // 基本类型访问是原子的
    private long longValue = 0L; // long和double可能非原子（但现代JVM通常保证原子性）
    private volatile boolean flag = false; // volatile保证单个读/写的原子性
    // 复合操作不是原子的
    public void nonAtomicIncrement() {
        basicType++; // 不是原子操作！分解为read-modify-write三步
    }
    // 保证原子性的方式
    private final AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0);
    private final Object lock = new Object();
    private int synchronizedValue = 0;
    public void atomicOperations() {
        // 方式1：使用原子类
        atomicInt.incrementAndGet(); // 原子操作
        // 方式2：使用同步
        synchronized(lock) {
            synchronizedValue++; // 原子操作
        }
        // 方式3：使用volatile变量（仅适用于特定场景）
        flag = true; // 原子操作
    }
}

public class VisibilityExample {
    private int noVisibility = 0; // 无可见性保证
    private volatile boolean hasVisibility = false; // volatile保证可见性
    private int synchronizedValue = 0; // synchronized保证可见性
    private final Object lock = new Object();
    public void demonstrate() {
        // 线程1：修改数据
        new Thread(() -> {
            noVisibility = 42;
            hasVisibility = true;
            synchronized(lock) {
                synchronizedValue = 100;
            }
        }).start();
        // 线程2：读取数据
        new Thread(() -> {
            // 可能看不到noVisibility的更新
            while (!hasVisibility) {
                // 等待hasVisibility变为true
            }
            // 保证看到noVisibility = 42（因为volatile写happens-before volatile读）
            synchronized(lock) {
                // 保证看到synchronizedValue = 100
            }
        }).start();
    }
}

public class OrderingExample {
    private int x = 0;
    private int y = 0;
    private volatile boolean ready = false;
    public void orderingDemo() {
        // 线程1：可能被重排序
        new Thread(() -> {
            x = 1;      // 操作1
            y = 2;      // 操作2
            ready = true; // 操作3：volatile写，阻止重排序
        }).start();
        // 线程2
        new Thread(() -> {
            while (!ready) {
                // 等待
            }
            // 由于volatile的语义，这里保证看到x=1, y=2
            // 不会出现y=2但x=0的情况
        }).start();
    }
}

public class SafePublication {
    // 方式1：静态初始化器（最安全）
    private static final Resource staticResource = new Resource();
    // 方式2：volatile字段
    private volatile Resource volatileResource;
    public void initVolatileResource() {
        volatileResource = new Resource(); // 安全发布
    }
    // 方式3：final字段
    private final Resource finalResource;
    public SafePublication() {
        this.finalResource = new Resource(); // 安全发布
    }
    // 方式4：正常锁保护
    private Resource guardedResource;
    private final Object lock = new Object();
    public void initGuardedResource() {
        synchronized(lock) {
            if (guardedResource == null) {
                guardedResource = new Resource(); // 安全发布
            }
        }
    }
    // 方式5：线程安全容器
    private final Map<String, Resource> safeMap 
        = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());
    private final ConcurrentMap<String, Resource> concurrentMap 
        = new ConcurrentHashMap<>();
    public void addToSafeMap(String key) {
        safeMap.put(key, new Resource()); // 安全发布
    }
}

public class BrokenDCL {
    private static Resource resource; // 没有volatile!
    public static Resource getInstance() {
        if (resource == null) {                 // 第一次检查（无锁）
            synchronized(BrokenDCL.class) {     // 加锁
                if (resource == null) {         // 第二次检查（有锁）
                    resource = new Resource();  // 问题所在！
                    // 可能发生的重排序：
                    // 1. 分配内存空间
                    // 2. 将引用指向内存空间（此时resource != null）
                    // 3. 初始化对象（还未执行）
                    // 其他线程可能拿到未完全初始化的对象！
                }
            }
        }
        return resource;
    }
}

public class CorrectDCL {
    // 使用volatile禁止重排序
    private static volatile CorrectDCL instance;
    private final int value;
    private final String name;
    private CorrectDCL() {
        this.value = 42;     // 初始化final字段
        this.name = "DCL";   // 初始化普通字段
        // 构造函数执行
    }
    public static CorrectDCL getInstance() {
        if (instance == null) {                     // 第一次检查（无锁）
            synchronized(CorrectDCL.class) {        // 加锁
                if (instance == null) {             // 第二次检查（有锁）
                    instance = new CorrectDCL();    // 安全发布
                    // volatile写插入内存屏障，确保：
                    // 1. 所有初始化操作完成
                    // 2. 初始化结果对其他线程立即可见
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

public class FinalFieldExample {
    private final int finalValue; // final字段
    private int normalValue;      // 普通字段
    private volatile boolean ready = false;
    public FinalFieldExample() {
        normalValue = 1;        // 普通字段写入（可能被重排序）
        finalValue = 42;        // final字段写入
        // JMM在此隐式插入StoreStore内存屏障
        // 确保final字段的初始化不会被重排序到构造函数之外
        ready = true;           // volatile写
    }
    public static void reader() {
        FinalFieldExample obj = new FinalFieldExample();
        // 保证看到finalValue的正确值(42)
        // 即使没有同步，也能看到正确初始化的final字段
        int r1 = obj.finalValue;
        // 可能看到normalValue的默认值(0)而不是1
        // 因为没有同步保证
        int r2 = obj.normalValue;
        // 但如果通过volatile读看到ready=true
        // 那么也能保证看到所有字段的正确初始化值
        if (obj.ready) {
            // 保证看到finalValue=42和normalValue=1
        }
    }
}

public class CommonConcurrencyMistakes {
    // 陷阱1：认为volatile保证原子性
    private volatile int count = 0;
    public void unsafeIncrement() {
        count++; // 不是原子操作！
    }
    // 解决方案：使用原子类或同步
    private final AtomicInteger safeCount = new AtomicInteger(0);
    private int synchronizedCount = 0;
    private final Object lock = new Object();
    public void safeIncrement() {
        safeCount.incrementAndGet(); // 方式1：原子类
        synchronized(lock) {         // 方式2：同步
            synchronizedCount++;
        }
    }
    // 陷阱2：误用双重检查锁定
    // 解决方案：使用volatile修饰实例变量
    // 陷阱3：依赖线程优先级
    // 解决方案：不要依赖线程优先级进行正确性设计
    // 陷阱4：在构造函数中启动线程
    public class ProblematicConstructor {
        public ProblematicConstructor() {
            new Thread(() -> {
                // 可能访问未完全初始化的对象
            }).start();
        }
    }
}