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學(xué)習(xí)資料：http://www./cn/articles/java-memory-model-1
Java的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型（而非消息傳遞模型）,，線程之間共享程序的公共狀態(tài)，線程之間通過寫-讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)來隱式進(jìn)行通信,。多個線程之間是不能直接傳遞數(shù)據(jù)交互的,，它們之間的交互只能通過共享變量來實現(xiàn) 同步是顯式進(jìn)行的。程序員必須顯式指定某個方法或某段代碼需要在線程之間互斥執(zhí)行,。
1,、多線程通信
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| 名稱 | 代碼示例 | 說明 |
| 寫后讀 | a = 1;b = a; | 寫一個變量之后，再讀這個位置,。 |
| 寫后寫 | a = 1;a = 2; | 寫一個變量之后,，再寫這個變量。 |
| 讀后寫 | a = b;b = 1; | 讀一個變量之后,，再寫這個變量,。 |
上面三種情況，只要重排序兩個操作的執(zhí)行順序,，程序的執(zhí)行結(jié)果將會被改變,。
前面提到過，編譯器和處理器可能會對操作做重排序,。編譯器和處理器在重排序時,，會遵守數(shù)據(jù)依賴性，編譯器和處理器不會改變存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的兩個操作的執(zhí)行順序,。
注意,，這里所說的數(shù)據(jù)依賴性僅針對單個處理器中執(zhí)行的指令序列和單個線程中執(zhí)行的操作，不同處理器之間和不同線程之間的數(shù)據(jù)依賴性不被編譯器和處理器考慮,。
as-if-serial語義的意思指：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度）,，（單線程）程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。編譯器,，runtime 和處理器都必須遵守as-if-serial語義,。
【例】
如上圖所示，A和C之間存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系,，同時B和C之間也存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系,。因此在最終執(zhí)行的指令序列中，C不能被重排序到A和B的前面（C排到A和B的前面,，程序的結(jié)果將會被改變）,。但A和B之間沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可以重排序A和B之間的執(zhí)行順序,。下圖是該程序的兩種執(zhí)行順序：
as-if-serial語義把單線程程序保護(hù)了起來,，遵守as-if-serial語義的編譯器，runtime 和處理器共同為編寫單線程程序的程序員創(chuàng)建了一個幻覺：單線程程序是按程序的順序來執(zhí)行的,。as-if-serial語義使單線程程序員無需擔(dān)心重排序會干擾他們,，也無需擔(dān)心內(nèi)存可見性問題,。
從JDK5開始，java使用新的JSR -133內(nèi)存模型,。JSR-133提出了happens-before的概念,，通過這個概念來闡述操作之間的內(nèi)存可見性。如果一個操作執(zhí)行的結(jié)果需要對另一個操作可見,，那么這兩個操作之間必須存在happens-before關(guān)系,。這里提到的兩個操作既可以是在一個線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間,。 與程序員密切相關(guān)的happens-before規(guī)則如下：
注意,，兩個操作之間具有happens-before關(guān)系，并不意味著前一個操作必須要在后一個操作之前執(zhí)行,！happens-before僅僅要求前一個操作（執(zhí)行的結(jié)果）對后一個操作可見,，且前一個操作按順序排在第二個操作之前（the first is visible to and ordered before the second）。happens- before的定義很微妙,，后文會具體說明happens-before為什么要這么定義,。
這里的第3個happens- before關(guān)系,，是根據(jù)happens- before的傳遞性推導(dǎo)出來的,。
這里A happens- before B，但實際執(zhí)行時B卻可以排在A之前執(zhí)行（看上面的重排序后的執(zhí)行順序）,。A happens- before B,，JMM并不要求A一定要在B之前執(zhí)行。JMM僅僅要求前一個操作（執(zhí)行的結(jié)果）對后一個操作可見,，且前一個操作按順序排在第二個操作之前,。這里操作A的執(zhí)行結(jié)果不需要對操作B可見；而且重排序操作A和操作B后的執(zhí)行結(jié)果,，與操作A和操作B按happens- before順序執(zhí)行的結(jié)果一致,。在這種情況下,，JMM會認(rèn)為這種重排序并不非法（not illegal），JMM允許這種重排序,。
在計算機(jī)中,，軟件技術(shù)和硬件技術(shù)有一個共同的目標(biāo)：在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能的開發(fā)并行度,。編譯器和處理器遵從這一目標(biāo),，從happens- before的定義我們可以看出，JMM同樣遵從這一目標(biāo),。
現(xiàn)在讓我們來看看，重排序是否會改變多線程程序的執(zhí)行結(jié)果,?！纠浚?/p>
flag變量是個標(biāo)記，用來標(biāo)識變量a是否已被寫入,。這里假設(shè)有兩個線程A和B,，A首先執(zhí)行writer()方法，隨后B線程接著執(zhí)行reader()方法,。線程B在執(zhí)行操作4時,，能否看到線程A在操作1對共享變量a的寫入？
答案是：不一定能看到,。
由于操作1和操作2沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系,，編譯器和處理器可以對這兩個操作重排序；同樣,，操作3和操作4沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系（,？），編譯器和處理器也可以對這兩個操作重排序,。讓我們先來看看,，當(dāng)操作1和操作2重排序時，可能會產(chǎn)生什么效果,？請看下面的程序執(zhí)行時序圖：
如上圖所示,，操作1和操作2做了重排序。程序執(zhí)行時,，線程A首先寫標(biāo)記變量flag,，隨后線程B讀這個變量。由于條件判斷為真,，線程B將讀取變量a,。此時，變量a還根本沒有被線程A寫入,，在這里多線程程序的語義被重排序破壞了,！
下面再讓我們看看,，當(dāng)操作3和操作4重排序時會產(chǎn)生什么效果（借助這個重排序，可以順便說明控制依賴性）,。下面是操作3和操作4重排序后,，程序的執(zhí)行時序圖：
在程序中，操作3和操作4存在控制依賴關(guān)系,。當(dāng)代碼中存在控制依賴性時,，會影響指令序列執(zhí)行的并行度。為此,，編譯器和處理器會采用猜測（Speculation）執(zhí)行來克服控制相關(guān)性對并行度的影響,。以處理器的猜測執(zhí)行為例，執(zhí)行線程B的處理器可以提前讀取并計算a*a,，然后把計算結(jié)果臨時保存到一個名為重排序緩沖（reorder buffer ROB）的硬件緩存中,。當(dāng)接下來操作3的條件判斷為真時，就把該計算結(jié)果寫入變量i中,。
從圖中我們可以看出,，猜測執(zhí)行實質(zhì)上對操作3和4做了重排序。重排序在這里破壞了多線程程序的語義,！
在單線程程序中,，對存在控制依賴的操作重排序，不會改變執(zhí)行結(jié)果（這也是as-if-serial語義允許對存在控制依賴的操作做重排序的原因）,；但在多線程程序中,，對存在控制依賴的操作重排序，可能會改變程序的執(zhí)行結(jié)果,。
3,、順序一致性
當(dāng)程序未正確同步時，就會存在數(shù)據(jù)競爭,。java內(nèi)存模型規(guī)范對數(shù)據(jù)競爭的定義如下：
當(dāng)代碼中包含數(shù)據(jù)競爭時,，程序的執(zhí)行往往產(chǎn)生違反直覺的結(jié)果（前一章的示例正是如此）。如果一個多線程程序能正確同步,，這個程序?qū)⑹且粋€沒有數(shù)據(jù)競爭的程序,。
JMM對正確同步的多線程程序的內(nèi)存一致性做了如下保證：
順序一致性內(nèi)存模型有兩大特性：
順序一致性內(nèi)存模型為程序員提供的視圖如下,。在概念上，順序一致性模型有一個單一的全局內(nèi)存,，這個內(nèi)存通過一個左右擺動的開關(guān)可以連接到任意一個線程,。同時，每一個線程必須按程序的順序來執(zhí)行內(nèi)存讀/寫操作,。在任意時間點(diǎn)最多只能有一個線程可以連接到內(nèi)存,。當(dāng)多個線程并發(fā)執(zhí)行時，圖中的開關(guān)裝置能把所有線程的所有內(nèi)存讀/寫操作串行化,。
為了更好的理解,，下面我們通過兩個示意圖來對順序一致性模型的特性做進(jìn)一步的說明。
假設(shè)有兩個線程A和B并發(fā)執(zhí)行,。其中A線程有三個操作，它們在程序中的順序是：A1->A2->A3,。B線程也有三個操作,，它們在程序中的順序是：B1->B2->B3。
假設(shè)這兩個線程使用監(jiān)視器來正確同步：A線程的三個操作執(zhí)行后釋放監(jiān)視器,，隨后B線程獲取同一個監(jiān)視器,。那么程序在順序一致性模型中的執(zhí)行效果將如下圖所示：
假設(shè)這兩個線程沒有做同步，下面是這個未同步程序在順序一致性模型中的執(zhí)行示意圖：
未同步程序在順序一致性模型中雖然整體執(zhí)行順序是無序的,，但所有線程都只能看到一個一致的整體執(zhí)行順序,。以上圖為例，線程A和B看到的執(zhí)行順序都是：B1->A1->A2->B2->A3->B3,。之所以能得到這個保證是因為順序一致性內(nèi)存模型中的每個操作必須立即對任意線程可見,。
但是，在JMM中就沒有這個保證,。未同步程序在JMM中不但整體的執(zhí)行順序是無序的,，而且所有線程看到的操作執(zhí)行順序也可能不一致。比如,，在當(dāng)前線程把寫過的數(shù)據(jù)緩存在本地內(nèi)存中,，且還沒有刷新到主內(nèi)存之前，這個寫操作僅對當(dāng)前線程可見,；從其他線程的角度來觀察,，會認(rèn)為這個寫操作根本還沒有被當(dāng)前線程執(zhí)行。只有當(dāng)前線程把本地內(nèi)存中寫過的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存之后,，這個寫操作才能對其他線程可見,。在這種情況下,，當(dāng)前線程和其它線程看到的操作執(zhí)行順序?qū)⒉灰恢隆?/p>
在順序一致性模型中，所有操作完全按程序的順序串行執(zhí)行,。而在JMM中,，臨界區(qū)內(nèi)的代碼可以重排序。
對于未同步或未正確同步的多線程程序,，JMM只提供最小安全性：線程執(zhí)行時讀取到的值,，要么是之前某個線程寫入的值，要么是默認(rèn)值（0,，null,，false），JMM保證線程讀操作讀取到的值不會無中生有（out of thin air）的冒出來,。
為了實現(xiàn)最小安全性,，JVM在堆上分配對象時，首先會清零內(nèi)存空間,，然后才會在上面分配對象（JVM內(nèi)部會同步這兩個操作）,。因此，在以清零的內(nèi)存空間（pre-zeroed memory）分配對象時,，域的默認(rèn)初始化已經(jīng)完成了,。
JMM不保證未同步程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果一致。因為未同步程序在順序一致性模型中執(zhí)行時,，整體上是無序的,，其執(zhí)行結(jié)果無法預(yù)知。保證未同步程序在兩個模型中的執(zhí)行結(jié)果一致毫無意義,。
和順序一致性模型一樣,，未同步程序在JMM中的執(zhí)行時，整體上也是無序的,，其執(zhí)行結(jié)果也無法預(yù)知,。同時，未同步程序在這兩個模型中的執(zhí)行特性有下面幾個差異：
第三點(diǎn)差異與處理器總線的工作機(jī)制密切相關(guān)。在計算機(jī)中，數(shù)據(jù)通過總線在處理器和內(nèi)存之間傳遞,。每次處理器和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳遞都是通過一系列步驟來完成的,，這一系列步驟稱之為總線事務(wù)（bus transaction）?？偩€事務(wù)包括讀事務(wù)（read transaction）和寫事務(wù)（write transaction）,。讀事務(wù)從內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)到處理器，寫事務(wù)從處理器傳送數(shù)據(jù)到內(nèi)存,，每個事務(wù)會讀/寫內(nèi)存中一個或多個物理上連續(xù)的字,。這里的關(guān)鍵是，總線會同步試圖并發(fā)使用總線的事務(wù),。在一個處理器執(zhí)行總線事務(wù)期間,，總線會禁止其它所有的處理器和I/O設(shè)備執(zhí)行內(nèi)存的讀/寫。
在一些32位的處理器上,，如果要求對64位數(shù)據(jù)的讀/寫操作具有原子性,，會有比較大的開銷。為了照顧這種處理器,，java語言規(guī)范鼓勵但不強(qiáng)求JVM對64位的long型變量和double型變量的讀/寫具有原子性,。當(dāng)JVM在這種處理器上運(yùn)行時，會把一個64位long/ double型變量的讀/寫操作拆分為兩個32位的讀/寫操作來執(zhí)行,。這兩個32位的讀/寫操作可能會被分配到不同的總線事務(wù)中執(zhí)行,，此時對這個64位變量的讀/寫將不具有原子性。
當(dāng)單個內(nèi)存操作不具有原子性,，將可能會產(chǎn)生意想不到后果。請看下面示意圖：
如上圖所示,，假設(shè)處理器A寫一個long型變量,，同時處理器B要讀這個long型變量。處理器A中64位的寫操作被拆分為兩個32位的寫操作,，且這兩個32位的寫操作被分配到不同的寫事務(wù)中執(zhí)行,。同時處理器B中64位的讀操作被拆分為兩個32位的讀操作，且這兩個32位的讀操作被分配到同一個的讀事務(wù)中執(zhí)行,。當(dāng)處理器A和B按上圖的時序來執(zhí)行時,，處理器B將看到僅僅被處理器A“寫了一半“的無效值。
把對volatile變量的單個讀/寫,，看成是使用同一個監(jiān)視器鎖對這些單個讀/寫操作做了同步。對一個volatile變量的讀,，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最后的寫入,。
這意味著即使是64位的long型和double型變量，只要它是volatile變量，對該變量的讀寫就將具有原子性,。如果是多個volatile操作或類似于volatile 這種復(fù)合操作,，這些操作整體上不具有原子性。
簡而言之,，volatile變量自身具有下列特性：
從JSR-133開始,，volatile變量的寫-讀可以實現(xiàn)線程之間的通信,。
從內(nèi)存語義的角度來說，volatile與監(jiān)視器鎖有相同的效果：volatile寫和監(jiān)視器的釋放有相同的內(nèi)存語義,；volatile讀與監(jiān)視器的獲取有相同的內(nèi)存語義,。
假設(shè)線程A執(zhí)行writer()方法之后，線程B執(zhí)行reader()方法,。根據(jù)happens before規(guī)則,，這個過程建立的happens before 關(guān)系可以分為兩類：
上圖中，每一個箭頭鏈接的兩個節(jié)點(diǎn),，代表了一個happens before 關(guān)系,。黑色箭頭表示程序順序規(guī)則；橙色箭頭表示volatile規(guī)則,；藍(lán)色箭頭表示組合這些規(guī)則后提供的happens before保證,。
這里A線程寫一個volatile變量后，B線程讀同一個volatile變量,。A線程在寫volatile變量之前所有可見的共享變量,，在B線程讀同一個volatile變量后，將立即變得對B線程可見,。
volatile寫的內(nèi)存語義如下：
以上面示例程序VolatileExample為例,，假設(shè)線程A首先執(zhí)行writer()方法,，隨后線程B執(zhí)行reader()方法，初始時兩個線程的本地內(nèi)存中的flag和a都是初始狀態(tài)。
下圖是線程A執(zhí)行volatile寫后,，共享變量的狀態(tài)示意圖,。線程A在寫flag變量后，本地內(nèi)存A中被線程A更新過的兩個共享變量的值被刷新到主內(nèi)存中,。此時,，本地內(nèi)存A和主內(nèi)存中的共享變量的值是一致的。
volatile讀的內(nèi)存語義如下：
下面是線程B讀同一個volatile變量后,，共享變量的狀態(tài)示意圖,。在讀flag變量后，本地內(nèi)存B已經(jīng)被置為無效,。此時,，線程B必須從主內(nèi)存中讀取共享變量。線程B的讀取操作將導(dǎo)致本地內(nèi)存B與主內(nèi)存中的共享變量的值也變成一致的了,。
把volatile寫和volatile讀這兩個步驟綜合起來看的話,，在讀線程B讀一個volatile變量后，寫線程A在寫這個volatile變量之前所有可見的共享變量的值都將立即變得對讀線程B可見,。
下面對volatile寫和volatile讀的內(nèi)存語義做個總結(jié)：
為了實現(xiàn)volatile內(nèi)存語義，JMM會分別限制編譯器重排序和處理器重排序,。下面是JMM針對編譯器制定的volatile重排序規(guī)則表：
| 是否能重排序 | 第二個操作 | ||
| 第一個操作 | 普通讀/寫 | volatile讀 | volatile寫 |
| 普通讀/寫 | NO | ||
| volatile讀 | NO | NO | NO |
| volatile寫 | NO | NO | |
舉例來說，第三行最后一個單元格的意思是：在程序順序中,，當(dāng)?shù)谝粋€操作為普通變量的讀或?qū)憰r,，如果第二個操作為volatile寫，則編譯器不能重排序這兩個操作,。
從上表我們可以看出：
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