Java 内存模型

一、Java 内存模型的基础

1 . 并发编程模型的两个关键问题

通信 ：是指线程之间以何种机制来交换信息，通信机制为共享内存 和 消息传递； 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；

2 . Java 内存模型的抽象结构

Java 中实例域，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，而局部变量，方法参数和异常处理器参数不会在线程之间共享

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中，每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存中存储了该线程以读写共享变量的副本。

线程A 和线程B 之间通信的步骤 ：

线程 A 把本地内存 A 中更新锅的共享变量刷新到主内存中去；线程 B 到主内存中去读取线程 A 之前已更新过的共享变量；

3 . happens-before 简介

在 JMM 中如果一个操作执行的结果需要对另外一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在 happens-before 关系，两个操作即可以在一个线程之内，也可以在不同线程之间

规则如下 ：

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 ：对于一个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，而且 B happens-before C ，那么 A happens-before C；

二、volatile 的内存语义

1 . volatile 的特性

可见性 ：对一个volatile 变量的读，总能看到（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/些具有原子性，但是类似volatile ++这种复合操作不具有原子性；

2 . volatile 写-读建立的happens-before 关系

假设线程 A 执行 writer（） 方法之后，线程 B 执行 reader（） 方法：

根据程序次序规则： 1 happens-before 2；3 happens-before 4根据 volatile 规则：2 happens-before 3根据 happens-before 的传递性规则，1 happens-before 4

3 . volatoile 写-读的内存语义

volatile 写的内存语义： 当写一个 volatile 变量时，JMM 会把该线程对相应的本地内存中； 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设为无效，线程接下来从主存中读取共享变量；

4 . voaltile 内存语义的实现

为了实现 volatile 内存语义，JMM 会限制编译器重排序 和 处理器重排序

为了实现 volatile 内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序；

JMM内存屏障插入策略 ：

在每个 volatile 写操作的前面插入 StoreStore 屏障；在每个 volatile 写操作的后面插入 StoreLoad 屏障；在每个 volatile 读操作的后面插入 LoadLoad 屏障；在每个 volatile 读操作的后面插入 LoadStore 屏障；

三、锁的内存语义

1 . 锁的释放 - 获取建立的 happens - before 关系

锁除了让临界区互斥执行，还可以让释放锁的线程向获取同一个锁的线程发消息；

happens-before 关系图 ：

2 . 锁的释放和获取的内存语义

锁释放的内存语义 ：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； 锁获取的内存语义 ：当线程获取锁时。JMM 会把该线程线程对应的本地内存置为无效，从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量；

锁释放与 volatile 写有着相同的内存语义；锁获取与 volatile 读有相同的内存语义；

3 . 锁内存语义的实现

ReentrantLock 分为公平锁 和 非公平锁；

公平锁 ： 加锁方法 lock () 调用轨迹如下：

ReentrantLock : lock()；FariSync : lock() ；AbstractQueuedSynchronizer : acquire ( int arg )；ReentrantLock : tryAcqurie ( int acquires) ；

解锁方法 unlock () 调用轨迹如下：

ReentrantLock : unlock () ；AbstractQueuedSynchronizer : release ( int arg )；Sync : tryRerlase ( int releases) ；

非公平锁 ： 加锁方法**lock ()**调用轨迹如下：

ReentantLock : lock () ：NonfairSync : Lock () ；AbstractQueuedSynchronizer : compareAndSetState ( int expect, int update)；

解锁方法 unlock () 调用轨迹如下：

ReentrantLock : unlock () ；AbstractQueuedSynchronizer : release ( int arg )；Sync : tryRerlase ( int releases) ；

四、final 域的内存语义

1. final 域的重排序规则

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；

2. 写 final 域的重排序规则

JMM 禁止编译器把 final 域的写重排序到构造函数之外；编译器会在 final 域的写之后，构造函数 return 之前，插入一个 Store Store 屏障，这个屏障禁止处理器把 final 域写重排序到构造函数之外；

写 final 域的重排序规则可以确保：在对象引用为任意线程可见之前，对象的final 域已经被正确初始化过了，而普通域不具有这个保障；

3. 读 final 域的重排序规则

在一个线程中，初次读对象引用与初次读该对象包含的 final 域，JMM禁止处理器重排序这两个操作，编译器会在读 final 域操作之前插入一个 LoadLoad 屏障；

读 final 域的重排序规则可以确保 ：在读一个对象的 final 域之前，一定会先读包含这个 final 域的对象的引用；

五、happens-before

1. happens-before定义

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的之前；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；

2. happens-before 规则

程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before 与该线程中任意后续操作；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；voaltile 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() ，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 TreadB.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；