Java并发拾遗(一)——并发、JMM、重排序与可见性

一、并发中的关键问题及其解决思路

并发中的关键问题：
1. 线程之间如何通信 —— 线程之间如何交换信息
2. 线程之间如何同步 —— 控制线程的相对执行顺序

两种解决思路：

1. 隐式通信，显示同步 —— 线程之间通过共享内存中的公共状态来隐式通信，那么就必须显示的指定线程见的互斥来实现同步
2. 显式通信，隐式同步 —— 线程之间无公共状态，通过明确的发送消息进行通信，那么由于消息的发送在消息接收之前，就可以实现隐式的同步

Java选择了共享内存的方式来解决并发中的两个关键问题，因此Java中线程的通信是隐式的，对程序员透明，但需要程序员自己来控制线程的同步，如使用互斥锁等。

二、JMM

JMM（Java memory model），控制Java线程之间的通信，定义了线程私有的本地内存和共享的主内存之间的关系，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。

如上图，Java不同线程的通信必须经过主内存，JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存的交互，来向程序员提供了内存可见性。

三、重排序

在编译或执行时，编译器或处理器常常会对指令进行重排序，有以下三种情况：

1. 编译器重排序：Java编译器通过对Java代码语义的理解，根据优化规则对代码指令进行重排序。

2. 机器指令级别的重排序：现代处理器很聪明，能够自主判断和变更机器指令的执行顺序。

3. 内存系统的重排序：由于处理器与主内存之间存在缓冲，导致在加载和存储操作可能在乱序执行。

其中，1属于由Java来指定规则的编译器重排序，2和3属于处理器级别的重排序。这些重排序就可能导致并发程序出现一些奇怪的问题，比如——可见性问题。

既然重排序导致了问题，那就在一些关键点，禁止重排序，就可以避免这些问题了。首先是编译期的禁止重排序，由于编译期的重排序规则就是由Java编译期来制定的，那么Java肯定能做到这种禁止。而在运行期的处理器级别的禁止重排序，就需要通过插入特定类型的内存屏障指令（memory barries / memory fence）来禁止重排序（可想而知，这必然需要操作系统与处理器级别提供的支持）。JMM就是通过这两个层面的禁止重排序保证了一致的内存可见性。

四、可见性

即线程A开始执行写操作之后，B啥时候能看到。由JMM可知，A执行了写操作之后，把结果缓存在自己的本地内存中是不行的，B是看不到的，只有当A将缓存刷回主内存之后，B才能看见。在JMM中，使用happens-before来描述两个操作之间的关系，当A操作的执行结果需要对操作B可见时，就说要求 A happens-before B。

JMM模型即提供了一些happens-before规则，这些规则由JDK来保证，使得程序员可以放心的新任和依赖：

1. 程序顺序：代码按书写规则，前面的代码 happens-before 后面的代码

2. 对一个volatile变量的写 happens-before 后续对这个变量的读

等等，正是这些由Java自身保证的happens-before规则，才让程序员们可以放心的使用Java编写并发程序。