Java内存模型

Java 内存模型的基础

并发编程模型的两个关键问题

• 线程之间如何通信 / 线程之间如何同步
  • 共享内存（Java采用）：
    • 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。程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。
  • 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。
    • 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 内存模型的抽象结构（JMM）

• 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）。
  • 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。

从源代码到指令序列的重排序

• 为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。
  • 编译器优化的重排序（编译器重排序）：
    • 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（处理器重排序）：
    • 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。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
  • 内存系统的重排序（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）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

happens-before 规则

• happens-before 规则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。
  • 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。

happens-before 规则的具体描述：

• 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。
• 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。
• 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。
• 传递性：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么 A happens-before C。
• 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。
• 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。

volatile 的特性

• 可见性：对一个 volatile 变量的读，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。

双重检查锁定与延迟初始化

• 问题：
  • 在线程执行到第 4 行，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。
• 根源：
  • 
  • 上面 3 行伪代码中的 2 和 3 之间，可能会被重排序。
• 解决方法：
  • 把 instance 声明为 volatile 型。
  • 基于类初始化的解决方案：
    • JVM 在类的初始化阶段（即在 Class 被加载后，且被线程使用之前），会执行类的初始化。在执行类的初始化期间，JVM 会去获取一个锁。这个锁可以同步多个线程对同一个类的初始化。
    • 

Java 内存模型中的顺序一致性

同步原语

• volatile
• synchronized
• final

Java 内存模型的设计