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Java内存模型的基础

不知道为什么，写文章的时候就想在最上面放一张图片，可能是因为强迫症吧，最近买了一些java并发相关书籍在看，如果没有大的问题，最近几篇文章应该都是记录java内存模型相关内容了（如下图），内容有点多，所以准备分开来写，写的原因主要想记录一下，还有就是觉得自己太菜有些看不懂的，想写出来看有没有大佬解答以下的，如题，今天要写的就是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

通信是指线程之间以何种机制来交换信息。在命令式编程中，线程之间通信机制有两种：共享内存和消息传递。

共享内存：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。

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的进行通信。

Java的并发采用的是共享内存模型。

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：在共享内存模型中，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：在消息传递模型中，由于消息的发送必须在消息接收之前，因此同步是隐式进行的。

总结

Java的并发采用的是共享内存模型，Java线程之间的通信总是隐式进行，整个通信过程对程序员完全透明。

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存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享，（本文用“共享变量”这个术语来代指实例域、静态域和数组元素），局部变量、方法定义参数和异常处理器参数不会在线程之间共享，他们不会有内存可见性的问题，也不会受到内存模型的影响。

Java线程之间的通信由Java内存模型（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。从抽象的角度来看，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。本地内存是JMM的一个概念，并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。Java内存模型的抽象示意图如下所示：

如图所示，线程A与线程B要通信的话，必须经过下面两个步骤：

1、线程A把本地内存中更新过的共享变量刷新到主内存中。

2、线程B去主内存读取线程A更新过的共享变量。

通过下图来说明这两个步骤：

如图，本地内存A和本地内存B有主内存中共享变量x的副本。假设初识时，这三个内存中的x值都是0。线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中，当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中，此时主内存的x值变为了1，随后，线程B去主内存读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1。

从整体来看，这两个步骤的实质上是线程A再向线程B发送消息，而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为Java程序员提供内存的可见性保证。

从源代码到指令序列的重排序

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分为3种类型：

1）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。

2）指令级并行的重排序：现代处理器采用了指令级并行计数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。

3）内存系统的重排序：由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

从Java源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面3种排序，如下图所示：

其中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，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。对于处理器的重排序，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指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。

happens-before简介

从JDK5开始，Java使用新的JSR-133内存模型，JSR-133内存模型使用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，那么这两个操作之间必须要存在happens-before关系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。

与程序员密切相关的happens-before规则如下：

1）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。

2）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。

3）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。

4）传递性：如果A happens-before B，并且B happens-before C，那么A happens-before C。

两个操作之间具有happens-before关系，并不意味着前一个操作必须要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。

happens-before与JMM的关系如下图所示：