Java内存模型——看Java如何解决可见性和有序性问题

上次的专栏简单的说了一下导致原子性，可见性，有序性的很容易看到的问题，有可能违背我们意愿的出现，这里就来说一下如何解决其中的可见性有序性导致的问题，也就引来了今天的问题——Java内存模型。

还有一点说就是，java内存模型，不要和之前说过的jvm内存模型混，不过确实这二者是有联系的，java内存模型更倾向于java并发方面的知识，而jvm内存模型是在java方面全部都会涉及的。

什么是java内存模型

之前就说过volatile关键字，它可以让变量的修改直接写入主存来做到可见性，那么，其本质我们也知道，是因为缓存才导致无法实现可见性，也是因为编译优化，无法实现有序性。

那么最耿直的方法，禁用缓存和编译优化，就搞定了，但是我们程序的性能就堪忧了。所以我们需要按需禁用缓存和编译优化，那么问题是，如何做到按需求禁用？

java内存模型是一个很复杂的规范，本质上可以理解为，java内存模型规范了JVM如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。从具体上来说，这些方法包括volatile、synchronized和final，以及六项Happen-Before原则。

Volatile

volatile不是java的关键字，在c里面也有，意义就是禁用CPU缓存。

例如，我们声明一个Volatile变量：

volatile int x = 0;

这就是在告诉我们的编译器，对这个变量的读写，不能使用cpu缓存，必须直接写入内存。虽然很简单，但是也很难。

例如下面这段代码：
假如我们创建一个线程A执行write()方法，再创建一个线程B执行reader()方法，我们来想想x到底是多少。

class VolatileExample	{		
	int	x = 0;		
	volatile boolean v = false;		
	public void	writer() {				
		x = 42;
		v =	true;		
	}		
	public void	reader() {				
		if (v == true) {						
		//	这⾥x会是多少呢？				
		}		
	} 
}

其实有很多种答案，低于java1.5版本，可能是42也可能是0，因为x=42可能会被cpu缓存，所以会出现0，但是java1.5之后修复了这个bug，所以只可能是42了。

修改的方法是增强了volatile的语意，而增强的方法是依据Happens-Before原则

Happens-Before

按照字面意思来说，也就是先行发生的意思，但是Happens-Before真正的意思是：前面一个操作的结果对于后续是可见的。用比较正式的说法来说，Happens-Before虽然约束了编译器的优化，但是又允许编译器优化，只需要保证Happens-Before原则即可。

接下来，就来说说Happens-Before的六项原则：

这条规则是说，在线程中，按照程序执行的顺序，前面的代码，Happens-Before于后面的代码。比如x=42 Happens-Before于v=true 并且前面的代码修改之后对于后面的代码是可见的。

class VolatileExample	{		
	int	x = 0;		
	volatile boolean v = false;		
	public void	writer() {				
		x = 42;
		v =	true;		
	}		
	public void	reader() {				
		if (v == true) {						
		//	这⾥x会是多少呢？				
		}		
	} 
}

2. volatile原则

一个volatile的写操作 Happens-Before于后续对这个volatile变量的读操作。

如果单纯理解这句话，还是禁用缓存，强制写入主存的意思，但是可以再看看第三条。

3. 传递性

其实这条可以用夹逼定理来理解，如果A Happens-Before B ， B Happens-Before C 那么 A Happens-Before C。

从图中我们可以看出：

(1) x=42 Happens-Before 写变量 v = true ←这是规则1的内容。
(2) 写变量v = true Happens-Before 读变量 v=true ←这是规则2的内容。

然后根据这个传递性规则，我们可以得到结果 像x = 42 Happens-Before 读变量 v = true ，这意味着什么呢？

如果线程B读到了v = true ，那么线程A设置的x = 42 对线程B是可见的。也就是说，线程B能看到x == 42 。这也就是java1.5 之后对于volatile的增强一说。

4. 管程中锁的规则

这条规则是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。

管程：一种通用的同步原语，在java中指的是synchronized，synchronized是对管程的实现。

管程中的锁会在java中隐式实现，例如下面的代码，在进入同步块之前会自动加锁，而在同步块结束会自动释放锁，加锁以及释放锁，都是编译器帮我们实现的。

synchronized (this) { //此处⾃动加锁		
	//	x是共享变量,初始值=10		
	if (this.x < 12) {				
	this.x = 12;			
	}		
}	//此处⾃动解锁

假如x的初始值为10，线程A执行完代码块后x的值会变成12，线程B进入代码块时，能够看到线程A对x的写操作，也就是线程B能够看到x==12.

5. 线程start()原则

意思是，当主线程A启动子线程B之后，子线程B能够看到主线程再启动子线程B之前的操作。

换句话就是说，如果线程A调用了线程B的start方法，那么start() Happens-Before于线程B中的任意操作。

Thread B = new Thread(()->{		
//	主线程调⽤B.start()之前		
//	所有对共享变量的修改，此处皆可⻅		
//	此例中，var==77 
}); 
//	此处对共享变量var修改 
var	=	77;
 //	主线程启动⼦线程 
B.start();

6. 线程join()原则

其实经常写多线程编程的就应该很熟悉了，意思就是等待某个线程的任务结束之后才能继续下一个线程的任务。

换句话说就是，如果在线程A中，调用线程B的 join() 并成功返回，那么线程B中的任意操作Happens-Before 于该 join() 操作的返回。

Thread B = new Thread(()->{		
//	此处对共享变量var修改		
	var = 66; 
}); 
//	例如此处对共享变量修改， 
//	则这个修改结果对线程B可⻅ 
//	主线程启动⼦线程 
B.start(); 
B.join() 
//	⼦线程所有对共享变量的修改 
//	在主线程调⽤B.join()之后皆可⻅ 
//	此例中，var==66

7. 线程interrupt()原则

对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否发生中断。

8. 线程finalize()原则

一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的finalize()方法的开始。

Final

前面说 volatile 为的是禁用缓存以及编译优化，那么有没有方法能让编译器优化的更好一点呢？

就是使用final

final修饰变量的时候，初衷就是告诉编译器，这个编程生而不变。

当然了，在1.5以后Java内存模型对final类型变量的重排进行了约束。现在只要我们提供正确构造函数没 有“逸出”，就不会出问题了。

Java内存模型底层是实现

通过内存屏障(memory barrier)禁止重排序的，即时编译器根据 具体的底层体系架构，将这些内存屏障替换成具体的 CPU 指令。对于编译器而言，内存屏障将它所 能做的重排序优化。而对于处理器而言，内存屏障将会导致缓存的刷新操作。比如，对于volatile，编译 器将在volatile字段的读写操作前后各插入一些内存屏障。