Java 线程 — JMM Java内存模型

JMM

Java Memory Model，Java内存模型，属于语言级的内存模型

并发编程中存在的问题：

• 如何通信：用于线程之间交换信息。两种方式：共享内存，消息传递
• 如何同步：用于控制不同线程间操作发生的相对顺序。共享内存的同步是显式的，消息传递的同步是隐式的，因为消息发送必须在消息接受之前，已经隐式包含了这个顺序关系

Java并发采用的是共享内存模型，内存模型的抽象结构如下图：

线程A和线程B通信的两个步骤：

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去
2. 线程B去主内存中读取线程A之前更新过的共享变量
   
   JMM通过控制主内存和线程的本地内存之间的交互，来为程序提供内存可见性的保证

重排序

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器会对指令做重排序，包括以下三类：

1. 编译器在不改变单线程语意的前提下对语句执行顺序的优化
2. 处理器对不存在数据依赖性的语句，改变语句对应指令的执行顺序
3. 内存系统的重排序

也就是说从Java源码到实际执行的指令序列经历了：

源代码——>编译器优化——>处理器优化——>内存系统重排序——>实际执行的指令序列

上述重排序都可能导致内存可见性问题

JMM属于语言级内存模型，在不同的编译器（软件）和不同的处理器平台（硬件）之上，通过以下方法保证一致的内存可见性：

1. JMM的重排序规则禁止特定编译器的编译成排序
2. JMM的处理器重排序规则会要求编译器在生成指令序列时，插入特定的内存屏障（Memory Barriers）指令

以上JMM的各种禁止重排序的规则和实现确保了happens-before

happens-before

基本原则

在保证执行结果正确的前提下尽可能提高执行的并行度

定义

• 如果A操作happens-before B，那么操作A的结果一定对操作B可见，而且操作A的执行顺序一定排在操作B前面（面向程序员：向程序员保证内存可见性）
• 两个操作存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须按照happens-before关系指定的顺序执行，只要保证执行结果正确JMM允许重排序（面向编译器和处理器：保证结果正确的前提下尽可能的优化并发性能）

规则

1. 程序顺序规则：一个线程中每一个操作，happens-before于该线程所有后续操作
2. 监视器锁规则：对于一个锁的解锁，happnes-before于对同一个锁的加锁
3. volatile规则：对于volatile域的写，happens-before于任意后续对这个域的读
4. 传递性规则：如果A happens-before于B，B happens-before于C，那么A happens-before于C
5. start()规则：如果线程A执行ThreadB.start()操作，那么线程ThreadB.start()操作happens-before于ThreadB的任何操作
6. join()规则：如果线程A执行ThreadB.join()操作并成功返回，那么ThreadB的任何操作happens-before于线程A从ThreadB.join()成功返回

写缓冲区

现代处理器使用写缓冲区临时保存向主存写入的数据，可以避免由于处理器向主存中写入数据而产生的延迟（对内存的读写速度远慢于处理器运行速度，对寄存器或者缓存的读写速度快于对）

数据依赖

JMM的重排序规则只会保证单线程的数据依赖正确

JMM只保证正确同步的并发操作是正确的（和顺序一致内存模型得到的结果相同）

顺序一致性内存模型

• 理想模型
• 一个线程中所有操作必须 按照程序顺序执行
• 每个操作原子执行，并且对所有线程立即可见（实际情况：没有原子执行，因为缓存也不能立即可见），因为立即可见，所以整体上所有线程看到的都是一个单一的执行顺序