Java内存模型

基本概念

1.并发编程模型

线程之间的通信机制有两种：共享内存和消息传递。Java的并发采用的是隐式的共享内存模型。
Java内存模型（JMM）是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性来建立的。

• 原子性：基本数据类型的访问读写是具备原子性的（针对long和double有非原子性协定），synchronized块之间的操作也具备原子性。
• 可见性：当一个线程修改了共享变量（主内存中）的值，其他线程能够立即得知这个修改。
• 有序性：线程内表现为串行的语义，从一个线程观察另一个线程，由于指令重排序和工作内存与主内存同步延迟，看到的操作是无序的。

2.内存模型抽象

• 主内存：存储线程之间共享变量，所有存储在堆内存中的实例域、静态域和数组元素在线程之间共享。
• 工作内存：线程私有，存储该线程读写共享变量的副本，它是JMM的抽象概念，并不存在，它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器及其他硬件和编译器的优化。
• JMM抽象示意图：
  

3.重排序

在执行程序时，编译器和处理器会对指令重排序，重排序分三种类型：

• 编译器优化的重排序
• 指令级并行的重拍序
• 内存系统的重排序
  编译器和处理器遵循as-if-serial语义（不管怎么重排序，都不能改变单线程程序的执行结果），不会对存在数据依赖关系的操作重排序。

4.内存屏障指令

JMM把内存屏障指令分为四类：

• LoadLoad
• LoadStore
• StoreLoad
• StoreStore

5.happens-before规则

在JMM中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，这两个操作之间必须存在happens-before关系。
happens-before规则仅仅要求前一个操作的结果对后一个操作可见，且前一个操作按顺序排在第二个操作之前。

同步机制

1.volatile

对一个volatile共享变量的单个读写操作，相当于对普通共享变量的读写操作使用同一个锁来同步。
volatile保证了多线程操作变量的可见性（新值能立即同步到主内存，每次使用前立即从主内存刷新）和有序性（volatile本身就包含了禁止指令重排序的语义），但不能保证原子性（对任意单个volatile变量的读写具有原子性，但对于volatile++这种复合操作不具有原子性）。

2.锁

锁除了让临界区互斥执行外，还可以让释放锁的线程向获取同一个锁的线程发送消息。
ReentrantLock的实现依赖于Java同步框架AQS，AQS使用一个整型的volatile变量state来维护同步状态。
锁释放和获取的内存语义的实现使用了volatile变量的读写所具有的内存语义和CAS自带的volatile读写的语义。

• 公平锁：锁获取时先读volatile变量，锁释放时最后写volatile变量。
• 非公平锁：锁获取时先使用CAS更新volatile变量，锁释放时最后写volatile变量。

3.final

final保证了可见性（被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把this的引用传递出去，那在其他线程中就能看见final的值）。

参考书籍

《深入理解Java内存模型》、《深入理解Java虚拟机 第二版》