JMM基础

参考书：《Java并发编程艺术》
附图均来自：《Java并发编程艺术》

先了解一下基础的概念：什么是JMM？

JMM（全称：Java Memory Model）, JMM定义的是线程和主内存间的抽象关系：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,JMM控制一个线程的共享变量写入何时对另一个线程可见。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。（有个印象，下面具体介绍）

在学习JMM之前，其实要先保留两个问题。1.那些数据需要JMM控制？2.JMM是怎么进行干预线程的操作的？

源代码到可执行的变成指令序列（重排序）

首先，我们要知道的是，我们所写的代码，并不是原封不动的被转换成可执行的序列。为了提高性能，编译器和处理器经常会进行 重排序；

编译重排序的过程

JMM的编译器会对特定类型的编译器进行限制。 所以,首先要了解编译器的重排序处理。

不同处理器的编译器有所不同，但是都遵循以下规则：

1.数据的依赖性

含义：当两个操作访问一个变量，且两个操作中一个是写操作，这两个操作存在数据的依赖性。

这两个操作，可能是：1.先读后写；2.先写后写；3.先写后读

一般存在数据依赖性的数据操作，编译器和处理器不会重新排序两个操作的执行顺序（只针对单处理器）；

2.as_if_serial语义

含义：不管怎么重排序，单线程的执行结果不能被改变。因此不会对存在数据以来的操作进行重排序；

上面的这些，我们可以看出，在单线程的情况下，根据数据的依赖性，数据执行结果不能被发生改变。

但是我们实际开发中经常会遇到多线程的情况，如下：

class Test{
   int a = 0 ;
   boolean flag = false;

   public void wirte(){
     	a ++ ;
	flag = true;	
   }
   
   public int read(){
	if(flag){
            return ++a;		
	}
   }	
}

上面的这个类，例如有两个线程同时执行write方法和read方法，因为就单个方法来所编译器的出现重排符合数据依赖性，但是实际多线程访问会出现数据异常查询和写入的问题。

像上面的这种多线程操作同一个变量，且读和写操作不在同一个线程中时，就要通过JMM进行编译器约束了。

了解下JMM的原则

在开始了解JMM编译重排序之前，我们先了解一个模型：顺序一致性模型；

顺序一致性模型

顺序一致性内存模型是一个理论参考模型，处理器内存模型和编程内存模型以顺序一致性为参考。

顺序一致性特征：

1.一个线程的所有操作，必须按照程序的顺序来执行；

2.所有的线程都只能看到单一的操作执行顺序。在顺序一致性模型中，每个操作必须原子执行且立刻对所有线程可见。

happens-before(JMM顺序执行的原则)

happens-before是JMM最核心的概念，也是JMM顺序执行的要遵循的原则。

定义：

1.一个操作happens-before第二个操作，那么第一个操作执行顺序在第二个操作之前，并且第一个执行结果对第二个操作可见。

2.只描述两个操作的关系，java平台不一定按照这种关系执行。

happens-before的几种规则

1、程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中任意的后续操作。

2、监视器锁规则：对一个锁的解锁操作，happens-before于随后对这个锁的加锁操作。

3、volatile域规则：对一个volatile域的写操作，happens-before于任意线程后续对这个volatile域的读。

4、传递性规则：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么A happens-before C。

JMM控制

现在可以回答上面预留的两个问题的问题了。

1.那些数据需要JMM控制？

• 方法区的实例，域都是线程共享的；这些是不会涉及到重排序的问题，所以不是JMM管理的范围

• 局部变量的线程是私有的，才涉及到线程之间的通信；

2.JMM是怎么进行干预线程的操作的？

这就是我们接下来要了解的知识，内存屏障（barriers）和临界区

然鹅JMM并不是禁止所有重排序，对于不会改变程序运行结果的重排序，JMM不做要求；

内存屏障（阻止编译器重排序）

内存屏障的类型

• volatile变量就是通过屏障阻止编译重排序的；

• final修饰的变量也是通过屏障进行编译重排序的；

volatile变量

1.volatile重排序的规则表

2.举个栗子（来自《Java并发编程艺术》）

class VolatileBarrierExample {
       int a;
       volatile int v1 = 1;
       volatile int v2 = 2;
       void readAndWrite() {
           int i = v1;
}

临界区（临界区内可以重排序，但是临界区内的代码不能“逸出”到临界区外）

显式的通过给代码增加锁，创建临界区；当线程释放锁的时候，JMM会把本地内存中的数据刷新到主内存中。

指令执行中，是通过#Lock前缀指令，指令在执行期间会锁住。

先看一个代码

class Test{
   int a = 0 ;
   boolean flag = false;

   public synchronized void wirte(){
     	a ++ ;
	flag = true;	
   }
   
   public synchronized int read(){
	if(flag){
            return ++a;		
	}
   }	
}