Java内存模型：Java解决可见性和有序性问题的方案

Java内存模型

并发场景下，可见性/原子性/有序性是并发编程Bug源头，而Java内存模型解决了可见性和有序性问题。

Java内存模型定义

可见性问题原因是缓存，有序性问题原因是编译优化。为了兼顾程序性能和功能正常，按需禁用缓存以及编译优化。而按需，则是按照开发者代码完成。

Java 内存模型是个很复杂的规范，规范了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。包括 volatile、synchronized 和 final 三个关键字，以及六项 Happens-Before 规则。

Happens-Before规则

先行发生：前面一个操作的结果对后续操作是可见的

示例代码

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 程序的顺序性原则

在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作 Happens-Before 于后续的任意操作。故x一定为42。

2 volatile变量规则

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 管程中锁的规则

指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。

管程：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。实际上，在解锁的时候，JVM需要强制刷新缓存，使得当前线程所修改的内存对其他线程可见。

synchronized (this) { //此处自动加锁
  // x是共享变量,初始值=10
  if (this.x < 12) {
    this.x = 12;
  }
} //此处自动解锁

结合规则4，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。

4 线程启动规则

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。
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。

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 = 77;
// 主线程启动子线程
B.start();

5 线程终止规则

线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join（）方法结束、Thread.isAlive（）的返回值等手段检测到线程已经终止执行。

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。

 
Thread B = new Thread(()->{
  // 此处对共享变量var修改
  var = 66;
});
// 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

6 线程中断规则

对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。

7 对象终结规则

一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的finalize()方法的开始。

Happens-Before特性

先行发生具有传递性

final关键字

这个变量生而不变，可以随意优化。final修饰的实例字段则是涉及到新建对象的发布问题。当一个对象包含final修饰的实例字段时，其他线程能够看到已经初始化的final实例字段，这是安全的。

只要提供正确构造函数没有“逸出”，就不会出问题。

对象逃逸问题:不要构造函数当中将对象赋值给外部变量

对象的安全发布与逃逸基础参考

Java内存模型底层实现

通过内存屏障(memory barrier)禁止重排序的，即时编译器根据具体的底层体系架构，将这些内存屏障替换成具体的 CPU 指令。对于编译器而言，内存屏障将限制它所能做的重排序优化。而对于处理器而言，内存屏障将会导致缓存的刷新操作。比如，对于volatile，编译器将在volatile字段的读写操作前后各插入一些内存屏障。

常见汇编语言中内存屏障指令:

• MFENCE（Memory Fence）
  该指令用于确保所有之前的内存读/写操作都完成，并且所有后续的读/写操作都不能开始，直到MFENCE指令执行完毕。它用于防止重排序和确保一致的内存访问顺序。

• SFENCE（Store Fence）
  该指令确保所有之前的写入操作都完成，并防止任何后续的写入操作重排序。它用于确保在写入操作之后进行的读操作能读取到正确的数据。

• LFENCE（Load Fence）
  该指令确保所有之前的读操作都完成，并防止任何后续的读操作重排序。它用于确保在读操作之后进行的写入操作能正确地写入数据。