并发编程的模型分类（转载于https://link.zhihu.com/?target=http%3A//www.54tianzhisheng.cn/2018/02/28/Java-Memory-Model/）强烈推荐！

在并发编程需要处理的两个关键问题是：线程之间如何通信和线程之间如何同步。

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，线程之间的通信机制有两种：共享内存和消息传递。

在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信。

在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信。

同步

同步是指程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。

在共享内存的并发模型里，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。

在消息传递的并发模型里，由于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。

注意：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；

同步总是显示进行，必须指定某个方法或者代码段在线程间互斥执行；

Java 内存模型的抽象

在 Java 中，所有实例域、静态域和数组元素存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享。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，它们不会有内存可见性问题，也不受内存模型的影响。

Java 线程之间的通信由 Java 内存模型（JMM）控制。JMM 决定了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 定义了线程与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，每一个线程都有一个自己私有的本地内存，本地内存中存储了该变量以读／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。

举个例子：

本地内存 A 和 B 有主内存共享变量 X 的副本。假设一开始时，这三个内存中 X 的值都是 0。线程 A 正执行时，把更新后的 X 值（假设为 1）临时存放在自己的本地内存 A 中。当线程 A 和 B 需要通信时，线程 A 首先会把自己本地内存 A 中修改后的 X 值刷新到主内存去，此时主内存中的 X 值变为了 1。随后，线程 B 到主内存中读取线程 A 更新后的共享变量 X 的值，此时线程 B 的本地内存的 X 值也变成了 1。

整体来看，这两个步骤实质上是线程 A 再向线程 B 发送消息，而这个通信过程必须经过主内存。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 程序员提供内存可见性保证。

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。重排序分三类：

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。

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，会分别经历下面三种重排序：

上面的这些重排序都可能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（不是所有的处理器重排序都要禁止）。

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。

处理器重排序

现代的处理器使用写缓冲区来临时保存向内存写入的数据。写缓冲区可以保证指令流水线持续运行，它可以避免由于处理器停顿下来等待向内存写入数据而产生的延迟。同时，通过以批处理的方式刷新写缓冲区，以及合并写缓冲区中对同一内存地址的多次写，可以减少对内存总线的占用。虽然写缓冲区有这么多好处，但每个处理器上的写缓冲区，仅仅对它所在的处理器可见。这个特性会对内存操作的执行顺序产生重要的影响：处理器对内存的读/写操作的执行顺序，不一定与内存实际发生的读/写操作顺序一致！

举个例子：

假设处理器A和处理器B按程序的顺序并行执行内存访问，最终却可能得到 x = y = 0。具体的原因如下图所示：

处理器 A 和 B 同时把共享变量写入在写缓冲区中（A1、B1），然后再从内存中读取另一个共享变量（A2、B2），最后才把自己写缓冲区中保存的脏数据刷新到内存中（A3、B3）。当以这种时序执行时，程序就可以得到 x = y = 0 的结果。

从内存操作实际发生的顺序来看，直到处理器 A 执行 A3 来刷新自己的写缓存区，写操作 A1 才算真正执行了。虽然处理器 A 执行内存操作的顺序为：A1 -> A2，但内存操作实际发生的顺序却是：A2 -> A1。此时，处理器 A 的内存操作顺序被重排序了。

这里的关键是，由于写缓冲区仅对自己的处理器可见，它会导致处理器执行内存操作的顺序可能会与内存实际的操作执行顺序不一致。由于现代的处理器都会使用写缓冲区，因此现代的处理器都会允许对写-读操作重排序。

内存屏障指令

为了保证内存可见性，Java 编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。JMM 把内存屏障指令分为下列四类：

| 屏障类型 | 指令示例 | 说明 |
| ------------------- | :------------------------: | :--------------------------------------: |
| LoadLoad Barriers | Load1; LoadLoad; Load2 | 确保 Load1 数据的装载，之前于 Load2 及所有后续装载指令的装载。 |
| StoreStore Barriers | Store1; StoreStore; Store2 | 确保 Store1 数据对其他处理器可见（刷新到内存），之前于 Store2 及所有后续存储指令的存储。 |
| LoadStore Barriers | Load1; LoadStore; Store2 | 确保 Load1 数据装载，之前于 Store2 及所有后续的存储指令刷新到内存。 |
| StoreLoad Barriers | Store1; StoreLoad; Load2 | 确保 Store1 数据对其他处理器变得可见（指刷新到内存），之前于 Load2 及所有后续装载指令的装载。StoreLoadBarriers 会使该屏障之前的所有内存访问指令（存储和装载指令）完成之后，才执行该屏障之后的内存访问指令。 |

happens-before

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：

 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：对一个监视器的解锁，happens-before 于随后对这个监视器的加锁。
 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。

注意，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（the first is visible to and ordered before the second）。

concurrent 包的实现

如果我们仔细分析 concurrent 包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式：

首先，声明共享变量为 volatile；
然后，使用 CAS 的原子条件更新来实现线程之间的同步；
同时，配合以 volatile 的读/写和 CAS 所具有的 volatile 读和写的内存语义来实现线程之间的通信。

AQS，非阻塞数据结构和原子变量类（java.util.concurrent.atomic 包中的类），这些 concurrent 包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而 concurrent 包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看，concurrent 包的实现示意图如下：

如上图所示，一个 happens-before 规则对应于一个或多个编译器和处理器重排序规则。

as-if-serial 语义

as-if-serial 语义的意思指：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），（单线程）程序的执行结果不能被改变。编译器，runtime 和处理器都必须遵守 as-if-serial 语义。

为了遵守 as-if-serial 编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果。但是如果操作之间没有数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序。

JMM 的设计示意图

JMM 的内存可见性保证

Java 程序的内存可见性保证按程序类型可以分为下列三类：

1.单线程程序。单线程程序不会出现内存可见性问题。编译器，runtime 和处理器会共同确保单线程程序的执行结果与该程序在顺序一致性模型中的执行结果相同。

2.正确同步的多线程程序。正确同步的多线程程序的执行将具有顺序一致性（程序的执行结果与该程序在顺序一致性内存模型中的执行结果相同）。这是 JMM 关注的重点，JMM通过限制编译器和处理器的重排序来为程序员提供内存可见性保证。

3.未同步/未正确同步的多线程程序。JMM 为它们提供了最小安全性保障：线程执行时读取到的值，要么是之前某个线程写入的值，要么是默认值（0，null，false）。

下图展示了这三类程序在 JMM 中与在顺序一致性内存模型中的执行结果的异同：