对Java内存模型即JMM的理解

类似物理上的计算机系统，Java虚拟机规范中也定义了一种Java内存模型，即Java Memory Model（JMM），
来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。

现在最新的Java内存模型规范是JSR-133，即Java内存模型与线程规范，这套规范包含：

• 线程之间如何通过内存通信；
• 线程之间通过什么方式通信才合法，才能得到期望的结果。

理解内存模型对Java的并发编程有很大的帮助。

Java内存模型

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。
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（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。
本地内存是一个抽象概念，并不真实存在，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。

（1）主内存和本地内存
主内存即main memory。在java中，实例域、静态域和数组元素是线程之间共享的数据，它们存储在主内存中。
本地内存即local memory。 局部变量，方法定义参数 和 异常处理器参数是不会在线程之间共享的，它们存储在线程的本地内存中。
（2）原子性
是指一个操作是按原子的方式执行的。要么该操作不被执行；要么以原子方式执行，即执行过程中不会被其它线程中断。

重排序

重排序是指“编译器和处理器”为了提高性能，而在程序执行时会对程序进行的重排序。
重排序分为——“编译器”和“处理器”两个方面，而“处理器”重排序又包括“指令级重排序”和“内存的重排序”。
关于重排序，我们需要理解它的思想：为了提高程序的并发度，从而提高性能！但是对于多线程程序，重排序可能会导致程序执行的结果不是我们需要的结果！因此，就需要我们通过“volatile，synchronize，锁等方式”作出正确的实现同步。

内存屏障

内存屏障包括LoadLoad, LoadStore, StoreLoad, StoreStore共4种内存屏障。内存屏障是与相应的内存重排序相对应的。
通过内存屏障可以禁止特定类型处理器的重排序，从而让程序按我们预想的流程去执行。

顺序一致性

顺序一致性内存模型是理想化的内存模型。有以下规则：
（1）一个线程中的所有操作必须按照程序的顺序来执行。
（2）所有线程都只能看到一个单一的操作执行顺序。在顺序一致性内存模型中，每个操作都必须原子执行且立刻对所有线程可见。

锁

锁是java并发编程中最重要的同步机制。
（1）锁的内存语义：
线程A释放一个锁，实质上是线程A向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了（线程A对共享变量所做修改的）消息。
线程B获取一个锁，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在释放这个锁之前对共享变量所做修改的）消息。
线程A释放锁，随后线程B获取这个锁，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。

 

（2）JMM如何实现锁
公平锁是通过“volatile”实现同步的。公平锁在释放锁的最后写volatile变量state；在获取锁时首先读这个volatile变量。根据volatile的happens-before规则，释放锁的线程在写volatile变量之前可见的共享变量，在获取锁的线程读取同一个volatile变量后将立即变的对获取锁的线程可见。

非公平锁通过CAS实现的，CAS就是compare and swap。CAS实际上调用的JNI函数，也就是CAS依赖于本地实现。以Intel来说，对于CAS的JNI实现函数，它保证：
禁止该CAS之前和之后的读和写指令重排序。
把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。

 

final域

对于基本类型的final域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则：
（1）final写：“构造函数内对一个final域的写入”，与“随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量”，这两个操作之间不能重排序。
（2）final读：“初次读一个包含final域的对象的引用”，与“随后初次读对象的final域”，这两个操作之间不能重排序。
对于引用类型的final域，除上面两条之外，还有一条规则：
（3）final写：在“构造函数内对一个final引用的对象的成员域的写入”，与“随后在构造函数外把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量”，这两个操作之间不能重排序。
写final域的重排序规则可以确保在引用变量为任意线程可见之前，该引用变量指向的对象的final域已经在构造函数中被正确初始化过了。其实要得到这个效果，还需要一个保证：在构造函数内部，不能让这个被构造对象的引用为其他线程可见，也就是对象引用不能在构造函数中“逸出”。
JMM通过“内存屏障”实现final，在final域的写之后，构造函数return之前，插入一个StoreStore障屏。在读final域的操作前面插入一个LoadLoad屏障。

 

参考 InfoQ·深入理解Java内存模型