对 Java 内存模型的理解
Java 内存模型
Java内存模型规定了在多线程程序中，什么样的行为是允许出现的，什么样的行为是禁止出现的。这样说可能有点抽象，我们换一个角度。将程序行为抽象成读操作和写操作，每个线程有自己的局部变量，同时线程之间还存在共享变量。那么一个多线程程序执行结束后，所有变量会有一个最终值。Java内存模型来决定什么样的值合法，什么样的值不合法。
内存模型不能要求的太严格，这样会阻碍很多优化方法，降低程序执行的效率，但也不能要求的太松，因为这样会导致一些执行结果违反我们的直觉。例如指令间的重排序问题，如果线程内部的指令完全按照程序中指明的次序执行，并且每次执行一条指令，执行的结果立即生效，那么就会阻碍很多优化方法，但这样对程序员是有好处的，因为程序员很容易推断程序的执行结果，这样写出的程序就容易与自己的意图一致。这种内存模型被称为顺序一致性模型(Sequential Consistency)。反之，如果为了优化程序执行效率，重排序的可能性有很多，那么程序的效率是提高了，但对程序员来说，就很难推断程序的执行结果。这一类的内存模型被称为Relaxed Memory Model。
这样，我们就遇到了一个两难的问题：
- 内存模型要求严格，那么程序效率低，但程序员容易写对
- 内存模型要求松，那么程序效率高，但程序员不容易写对
而程序的效率，与程序是否容易写对都很重要。为了解决这个问题，科学家提出了 Data Race Free 的概念，它是对多线程程序同步程度的一种描述，基本的思想是如果多线程程序进行了正确的同步，那么程序员就可以按照顺序一致性模型去推断程序的执行结果，而底层对内存操作的实现，可以按照 Relaxed Memory Model进行优化。
Java 内存模型包含了两方面的内容
- 对正确同步的多线程程序，保证其执行结果与在顺序内存模型下执行的结果一致
- 对没有正确同步要求的多线程程序，进行一定程度的限制，以保证安全性
其中第一方面是与 Data Race Free相关的，第二方面与后面介绍的 Causality Requirements 相关。
Data Race Free
Java 内存模型其实定义了好几个概念来说明什么是正确的同步。
- 冲突访问(conflicting accesses)
如果存在多个线程，同时访问同一地址，并且至少有一个是写操作，那么这个程序存在冲突访问
- happen-before order
两个操作之间如果满足下面任意一个条件，就可以说这两个操作之间存在 happen-before order:
- 同一个线程内，在程序中有先后次序的操作
- 构造器的结尾的操作与 finalize 函数的开始的操作
- unlock 操作与所有同一把锁上的 lock操作
- volatile 变量的读操作与所有对它的写操作
- 对变量默认值的写操作与线程启动后的第一个操作
- 如果线程 T2 检测到线程 T1 终止执行，那么 T1 的最后一次操作与 T2任意操作
- 启动一个线程的操作与此线程内第一个操作
- 如果线程 T1 中断了线程 T2，那么此中断操作与其它任何看到 T2 被中断的操作之间。
其中有些我也不是很理解。。
- data race free
所有存在冲突访问的操作之间都有 happen-before order，那么此多线程程序满足 data race free
- 正确同步
假如多线程程序在顺序一致性模型下执行，如果它满足 data race free，那么此程序进行了正确的同步。
正确同步的多线程程序，其执行结果与在顺序一致性模型下的执行结果一致。仔细体会下概念之间的关系。有点绕。
另一方面，如果程序没有正确同步，执行结果也不是任意的，必须对其进行限制，但限制又不能太强，因为太强会阻碍优化。所以 Java 内存模型使用了 Causality Requirements 的概念。
Causality Requirements
为了精确定义内存模型，Java语言规范中，提出了 Causality Requirements 的概念。不知道是什么原因，这个概念很少被提及，但是我觉得它是很重要的，但同时，也是非常令人费解的。语言规范中，首先定义了 Well-Formed Executions 的概念，现在对内存模型的很多讨论，都是在这一层，它包括了对多线程程序执行中，与锁，volatile变量，执行次序等等相关的规定。如果一个多线程程序的执行满足这些规定，那么这个执行就是 Well-Formed Executions 的。国内有一个系列文章《深入理解Java内存模型》，主要是在这方面描述Java内存模型。此外，在 Java 并发领域内著名的 Doug Lea 也给出了一个 The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers，为编译器作者们提供参考,探讨的也是这方面的问题。但是，内存模型对多线程程序的执行是否合法，不仅仅要看它是否是 Well-Formed Executions，这次执行还需要满足 Causality Requirements。
语言规范中规定了一个构造过程，如果通过这个构造过程，可以构造出多线程程序最终的执行结果，那么这次执行就满足 Causality Requirements。构造过程从一个空集合C0开始，每次将其中添加若干操作，如果所有操作都能被添加，那么构造成功。即，
C0 -> C1 -> C2 -> ... -> C
其中 C_i 是 C_(i+1) 的子集。你可能注意到了，之前说的“操作能被添加”，什么叫操作能被添加呢？语言规范中规定了，每一个 Ci 都对应一个 Ei，所有 Ei 都要满足 Well-Formed Executions。也就是说，如果你添加了操作后，对应的 Ei 不满足 Well-Formed Executions，那么这个操作就不能被添加。如果最终，你的多线程程序无法构造出这样一个执行链，那么，它的执行结果是非法的。
另外，Java 内存模型最初论文作者维护了一个页面 The Java Memory Model，其中有一个条目叫 Causality Test Cases，给出了一些小例子，以便人们明白哪些行为是满足 Causality Requirements 的，哪些是不满足的。此外，在 Java 并发领域内著名的 Doug Lea 也给出了一个 The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers，为编译器作者们提供参考。不过据说这份规范有些地方要求太严格了，开发者们还是根据Java语言规范和虚拟机规范来开发。
参考资料：Java 语言规范之内存模型
