Java内存模型的基础

并发编程模型的两个关键问题

在并发编程中，需要处理两个关键问题：

  1. 线程之间如何通信
  2. 线程之间如何同步

（这里的线程是指并发执行的活动实体）

  • 通信是指线程之间以何种机制来交换信息
  • 同步是指程序中用于控制不同线程间操作发生相对顺序的机制

在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种：

  1. 共享内存
    • 线程之间共享程序的公共状态，通过写-读内存中的公共状态进行隐式通信
    • 同步是显式进行的，��序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行
  2. 消息传递
    • 线程之间没有公共状态，线程之间必须通过发送消息来显式进行通信
    • 由于消息的发送必须在消息的接收之前，因此同步是隐式进行的

Java的并发采用的是共享内存模型，Java线程之间的通信总是隐式进行，整个通信过程对程序员完全透明

Java内存模型的抽象

在Java中，所有实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享
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（ExceptionHandler 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（MainMemory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（LocalMemory），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。

从源代码到指令序列的重排序

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。重排序分3种类型。

  1. 编译器优化的重排序
    • 编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
  2. 指令级并行的重排序
    • 现代处理器采用了指令级并行技术，来将多条指令重叠执行。 如果不存在依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序
  3. 内存系统的重排序
    • 由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上
      去可能是在乱序执行

上述的1属于编译器重排序，2和3属于处理器重排序。这些重排序可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（Memory Barriers，Intel称之为MemoryFence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。

并发编程模型的分类

现代的处理器使用写缓冲区临时保存向内存写入的数据。写缓冲区可以保证指令流水线持续运行，它可以避免由于处理器停顿下来等待向内存写入数据而产生的延迟。同时，通过以批处理的方式刷新写缓冲区，以及合并写缓冲区中对同一内存地址的多次写，减少对内存总线的占用。

虽然写缓冲区有这么多好处，但每个处理器上的写缓冲区，仅仅对它所在的处理器可见。这个特性会对内存操作的执行顺序产生重要的影响：处理器对内存的读/写操作的执行顺序，不一定与内存实际发生的读/写操作顺序一致

happens-before简介

JSR-133使用happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性

在JMM中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在happens-before关系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。

与程序员密切相关的happens-before规则如下：

  1. 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作
  2. 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁
  3. volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读
  4. 传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C
  5. start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。
  6. join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。
  7. 程序中断规则：对线程interrupted()方法的调用先行于被中断线程的代码检测到中断时间的发生。
  8. 对象finalize规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行于发生它的finalize()方法的开始。

注意:
两个操作之间具有happens-before关系，并不意味着前一个操作必须要在后一个
操作之前执行！

happens-before仅仅要求前一个操作（执行的结果）对后一个操作可见，且前一个操作按顺序排在第二个操作之前（the first is visible to and ordered before the second）

happens-before与JMM的关系

一个happens-before规则对应于一个或多个编译器和处理器重排序规则。对
于Java程序员来说，happens-before规则简单易懂，它避免Java程序员为了理解JMM提供的内存
可见性保证而去学习复杂的重排序规则以及这些规则的具体实现方法。