什么是 Java 内存模型?

导致可见性的原因是缓存,导致有序性的原因是编译优化,那解决可见性、
有序性最直接的办法就是禁用缓存和编译优化,但是这样问题虽然解决了,我们程序的性能可就堪忧了。
 
合理的方案应该是按需禁用缓存以及编译优化。那么,如何做到“按需禁用”呢?对于并发程序,何时禁用缓存以及编译优化只有程序员知道,那所谓“按需禁用”其实就是指按照程序员的要求来禁用。所以,为了解决可见性和有序性问题,只需要提供给程序员按需禁用缓存和编译优化的方法即可。
 
Java 内存模型是个很复杂的规范,可以从不同的视角来解读,站在我们这些程序员的视角,本质上可以理解为,
Java 内存模型规范了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。具体来说,这些方法包括 volatile、synchronized 和 final 三个关键字,以及六项 Happens-Before 规则。
 
volatile
禁用 CPU 缓存
Happens-Before 规则
 
表达的是:前面一个操作的结果对后续操作是可见的
class VolatileExample {
int x = 0;
volatile boolean v = false; public void writer() {
x = 42;
v = true;
} public void reader() {
if (v == true) {
// 这里 x 会是多少呢?
}
}
}

  

1. 程序的顺序性规则
程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的。
 
2. volatile 变量规则
这条规则是指对一个 volatile 变量的写操作, Happens-Before 于后续对这个 volatile变量的读操作。 
 
3. 传递性
这条规则是指如果 A Happens-Before B,且 B Happens-Before C,那么 A Happens-Before C。
 

从图中,我们可以看到:
1. “x=42” Happens-Before 写变量 “v=true” ,这是规则 1 的内容;
2. 写变量“v=true” Happens-Before 读变量 “v=true”,这是规则 2 的内容 。
再根据这个传递性规则,我们得到结果:“x=42” Happens-Before 读变量“v=true”。这意味着什么呢?
如果线程 B 读到了“v=true”,那么线程 A 设置的“x=42”对线程 B 是可见的。也就是说,线程 B 能看到 “x == 42” ,有没有一种恍然大悟的感觉?这就是 1.5 版本对volatile 语义的增强
 
4. 管程中锁的规则
这条规则是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。要理解这个规则,就首先要了解“管程指的是什么”。管程是一种通用的同步原语,在Java 中指的就是 synchronized,synchronized 是 Java 里对管程的实现。管程中的锁在 Java 里是隐式实现的,例如下面的代码,在进入同步块之前,会自动加锁,而在代码块执行完会自动释放锁,加锁以及释放锁都是编译器帮我们实现的。
synchronized (this) { // 此处自动加锁
// x 是共享变量, 初始值 =10
if (this.x < ) {
this.x = ;
}
} // 此处自动解锁
所以结合规则 4——管程中锁的规则,可以这样理解:假设 x 的初始值是 10,线程 A 执行完代码块后 x 的值会变成 12(执行完自动释放锁),线程 B 进入代码块时,能够看到线程 A 对 x 的写操作,也就是线程 B 能够看到 x==12。
 
5. 线程 start() 规则
这条是关于线程启动的。它是指主线程 A 启动子线程 B 后,子线程 B 能够看到主线程在启动子线程 B 前的操作。换句话说就是,如果线程 A 调用线程 B 的 start() 方法(即在线程 A 中启动线程 B),那
么该 start() 操作 Happens-Before 于线程 B 中的任意操作。具体可参考下面示例代码。 
Thread B = new Thread(() -> {
// 主线程调用 B.start() 之前
// 所有对共享变量的修改,此处皆可见
// 此例中,var==77
});
// 此处对共享变量 var 修改
var = ;
// 主线程启动子线程
B.start();
6. 线程 join() 规则
这条是关于线程等待的。它是指主线程 A 等待子线程 B 完成(主线程 A 通过调用子线程B 的 join() 方法实现),当子线程 B 完成后(主线程 A 中 join() 方法返回),主线程能 够看到子线程的操作。当然所谓的“看到”,指的是对共享变量的操作。换句话说就是,如果在线程 A 中,调用线程 B 的 join() 并成功返回,那么线程 B 中的任意操作 Happens-Before 于该 join() 操作的返回。具体可参考下面示例代码。 
Thread B = new Thread(()->{
// 此处对共享变量 var 修改
var = ;
});
// 例如此处对共享变量修改,
// 则这个修改结果对线程 B 可见
// 主线程启动子线程
B.start();
B.join()
// 子线程所有对共享变量的修改
// 在主线程调用 B.join() 之后皆可见
// 此例中,var==66
被我们忽视的 final
前面我们讲 volatile 为的是禁用缓存以及编译优化,我们再从另外一个方面来看,有没有办法告诉编译器优化得更好一点呢?这个可以有,就是final 关键字。final 修饰变量时,初衷是告诉编译器:这个变量生而不变,可以可劲儿优化。

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