史上最全的Java并发系列之Java内存模型-阿里云开发者社区

絮叨

昨天把一些底层原理的东西讲了一下，并且昨天也简单的提了一下Java内存模型，今天就让我们好好的啃一下它把,下面是前面的章节链接：

内存模型基础

并发编程的两个关键问题

线程之间如何通信？命令式编程中线程的通信机制主要是以下两种：

共享内存的并发模型：通过读写内存中的公共状态来进行隐式通信。
消息传递的并发模型：没有公共状态，只能通过发送消息来显示的进行通信。

线程之间如何同步？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。

共享内存的并发模型：同步时显示进行的。我们必须显示指定某段代码需要在线程直线互斥执行。
消息传递的并发模型：由于消息发送必须在消息接收之前，因此同步时隐式的。

Java并发采用的是共享内存模型，Java线程之前的通信总是隐式进行的。

Java内存模型的抽象结构

在Java中，所有实例域、静态域和数组元素都储存在堆内存中，堆内存在线程之前共享。本文用共享变量统一描述实例域、静态域和数组元素。

局部变量、方法定义参数、异常处理器参数不会在内存之间共享，他们不会有内存可见性问题，也不受内存模型影响。

Java线程通信由Java内存模型（简称 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。从抽象角度看，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储存在主内存中，每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存储存了该线程以读写共享变量的副本。

从上图来看，线程A和线程B需要通信的话，需要经历以下步骤：

线程A 把本地内存A 中的共享变量副本刷新到主内存中。
线程B 去读取主内存中线程A 刷新过的共享变量。

从整体来看，这两个步骤实质上是线程A向线程B发送消息，而通信必须经过主内存。 JMM 通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来提供内存可见性的保证。

从源代码到指令序列的重排序

执行程序的时候，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。主要有以下三类：

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。
指令级并行的重排序 : 现代处理器采用并行技术来将多条指令重叠执行，如果不存在数据依赖性，处理器可以改变对应机器指令的执行顺序。
内存系统的重排序 : 由于处理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乱序执行。

以下描述了源代码到最终执行的指令序列的示意图：

上图中的 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。

对于编译器重排序， JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序。对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

什么意思呢，给大家解释一下，就是我们有很多关键字的语意可以禁止重排序

内存屏障

由于现代的操作系统都是多处理器.而每一个处理器都有自己的缓存,并且这些缓存并不是实时都与内存发生信息交换.这样就可能出现一个cpu上的缓存数据与另一个cpu上的缓存数据不一致的问题.而这样在多线程开发中,就有可能导致出现一些异常行为. 而操作系统底层为了这些问题,提供了一些内存屏障用以解决这样的问题.目前有4种屏障.

LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能

java中对内存屏障的使用在一般的代码中不太容易见到.常见的有两种.

通过 Synchronized关键字包住的代码区域,当线程进入到该区域读取变量信息时,保证读到的是最新的值.这是因为在同步区内对变量的写入操作,在离开同步区时就将当前线程内的数据刷新到内存中,而对数据的读取也不能从缓存读取,只能从内存中读取,保证了数据的读有效性.这就是插入了StoreStore屏障
使用了volatile修饰变量,则对变量的写操作,会插入StoreLoad屏障. 其余的操作,则需要通过Unsafe这个类来执行.

happens-before原则介绍

从 JDK5 开始，Java使用新的 JSR-133 内存模型。 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，则这两个操作必须要存在happen-before关系。两个操作之间具有happens-before关系，并不意味着前一个操作必须妖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加深理解

如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前（对程序员来说）
如果两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序是允许的（对编译器和处理器来说）

总结来说，就是这样的一规则，它的规则约束，可以得到下面的结论

一个线程中的每个操作happens-before于该线程中的任意后续操作
对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁
对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读
如果A hapens-before B，且B happens-before C, 那么A happens-before C
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
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
对线程interrup()方法的调用， happens-before 于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）happens-before finalize()方法的开始

happens-before 是 JMM 最核心的概念。

重排序规则：只要不改变程序的执行结果（指的是单线程程序和正确同步的多线程程序），编译器和处理器怎么优化都行。

volatile的内存语义

理解volatile特性的一个好方法是把对volatile变量的单个读/写，看成是使用同一个锁对这些单个读/写操作做了同步。

volatile变量具有下列特性:

可见性：总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。
原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。
volatile写的内存语义：当写一个volatile变量时，JMM 会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。
volatile读的内存语义：当读一个volatile变量时，JMM 会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。
它的缺点就是它只能对单个volatile变量的读写具有原子性，二锁是互斥行为，可以确保一个代码区域的执行原子性

锁的内存语义

锁是Java并发编程中最重要的同步机制。锁除了让临界区互斥执行外，还可以让释放锁的线程向获取同一个锁的线程发送消息。

当线程释放锁时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中。和 volatile 写类似。

当线程获取锁时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。和 volatile 读类似。

锁释放和锁获取的内存语义总结：

线程A释放一个锁，实质上是线程A向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了（线程A对共享变量所做修改的）消息。
线程B获取一个锁，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在释放这个锁之前对共享变量所做修改的）消息。
线程A释放锁，随后线程B获取这个锁，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。

final域的内存语义

与前面介绍的锁和volatile相比，对final域的读和写更像是普通的变量访问。

对于final域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则。

在构造函数内对一个final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。
初次读一个包含final域的对象的引用，与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序。

反正我看得很蒙，不知道啥意思，读者有懂的，可以下面评论，

双重检查锁定与延迟初始化

双重检查锁定示例代码：

private static Instance instance; //1
public static Instance getInstance() { //2
    if (instance == null) { //3
        synchronized (Instance.class) { //4
            if (instance == null) { //5
                instance = new Instance() //6
            }
        }
    }
    return instance;
}
复制代码

存在的问题：在线程执行到第3行if (instance == null)，代码读取到instance不为null时，instance引用的对象有可能还没有完成初始化。

基于volatile的解决方案只需要给变量 instance 添加 volatile 修饰符。

private volatile static Instance instance;
public static Instance getInstance() {
    if (instance == null) {
        synchronized (Instance.class) {
            if (instance == null) {
                instance = new Instance();
            }
        }
    }
    return instance;
}
复制代码

为什么可以呢？因为这个对象的修改是对其他线程可见的，所以其他线程的修改肯定是会失败的，等下次去更新的时候，发现已经有了，就直接去拿有的对象了

基于类初始化的解决方案

public static class InstanceFactory {
    public static Instance getInstance() {
        // 这里将导致InstanceHolder类被初始化
        return InstanceHolder.instance;
    }
    private static class InstanceHolder {
        public static Instance instance = new Instance();
    }
}
复制代码

这个就是我们常写的单列模式

各种内存模型之间的关系

JMM 是一个语言级的内存模型。
处理器内存模型是硬件级的内存模型。
顺序一致性内存模型是一个理论参考模型。

JMM的内存可见性保证

按程序类型，Java程序的内存可见性保证可以分为下列3类：

单线程程序：不会出现内存可见性问题。JMM为它们提供了最小安全性保障：线程执行时读取到的值，要么是之前某个线程写入的值，要么是默认值（0、null、false）。
正确同步的多线程程序：程序的执行将具有顺序一致性。这是JMM关注的重点，JMM通过限制编译器和处理器的重排序来为程序员提供内存可见性保证。
未同步/未正确同步的多线程程序：JMM为它们提供了最小安全性保障：线程执行时读取到的值，要么是之前某个线程写入的值，要么是默认值（0、null、false）。

结尾

第三章，介绍了JMM的内存模型，还有就是各种关键字的内存语义，也是讲理论的多，不过大家认真看，把这些抽象的概念具体化，那么等你下次去用的时候，或者面试的时候，就不会那么难了。

因为博主也是一个开发萌新我也是一边学一边写我有个目标就是一周二到三篇希望能坚持个一年吧希望各位大佬多提意见，让我多学习，一起进步。

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