什么是java内存模型?
导致可见性的原因是缓存,导致有序性的原因是编译优化,那解决可见性,有序性最直接的办法就是禁用缓存和编译优化,但是这样问虽然解决了,我们程序的性能可就堪忧了.
合理的方案应该是按需禁用缓存以及编译优化,那么怎么做到按需禁用呢?对于并发程序,何时禁用缓存以及编译优化只有程序员知道,那所谓的"按需禁用"其实就是指按照程序员的要求来禁用,所以,为了解决可见性和有序性问题,只需要提供程序员按需禁用缓存和编译优化的方法即可.
java内存模型是个很复杂的规范,可以从不同的视角来解读,站在我们这些程序员的视角,本质上可以理解为,java内存模型规范了JVM如何提供按需禁用和编译优化的方法.具体来说,这些方法包括volatile.synchronized和final三个关键字,以及六项Happens-Before规则,这也是重点.
使用volatile的困惑
volatile关键字并不是java语言的特产,古老的C语言里也有,它最原始的意义就是禁用CPU缓存.
例如,声明一个volatile变量volatile int x = 0,它表达的是:告诉编译器,对这个变量的读写,不能使用CPU缓存,必须从内存中读取或者写入.这个语义看上去相当明确,但是实际使用的时候却会带来困惑.
例如下面的代码,假设线程A执行writer()方法,按照volatile语义,会把变量"v = true" 写入内存;假设线程B执行reader()方法,同样按照volatile语义,线程B会从内存中读取变量v,如果线程B看到"v=true"时,那么线程B看到的变量x是多少?
直觉上,应该是42,但实际要看java版本,1.5之前x可能是42,也可能是0; 1.5以上版本运行x就是42.
分析一下,1.5之前版本出现x=0情况变量x可能被CPU缓存而导致可见性问题.这个问题在1.5版本已经被解决,java内存模型在1.5版本对volatile语义进行了增强.答案就是一项Happens-Before规则.
Happens-Before 规则
Happens-Before 并不是说前面一个操作发生在后续操作的前面，它真正要表达的是：前面一个操作的结果对后续操作是可见的。
比较正式的说法是：Happens-Before 约束了编译器的优化行为，虽允许编译器优化，但是要求编译器优化后一定遵守 Happens�Before 规则.
1. 程序的顺序性规则
这条规则是指在一个线程中,按照程序顺序,前面的操作Happens-Before于后续的任意操作.这还是比较容易理解的.比如刚才的代码.按照程序的顺序,第6行代码"x=42"Happens-Before于第7行代码"v=true",这就是规则1的内容,也比较符合单线程里面的思维:程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的.
2. volatile 变量规则
这条规则是指对一个volatile变量的写操作,Happens-Before于后续对这个volatile变量的读操作.
这个就有点费解了,对一个volatile变量的写操作相对于后续对这个volatile变量的读操作可见,这怎么看都是禁用缓存的意思啊.貌似和1.5版本之前的语义没有变化?如果关联规则3就有不一样的感觉了!
3.传递性
这条规则如果A Happens-Before B,且B Happens-Before C 那么 A Happens-Before C.
应用到代码中:
从图中看出:
1.x=42 Happens-Before 写变量v = true ,这是规则1.
2.写变量v = true Happens-Before 读变量 v = true,这是规则2.
根据传递性,x = 42 Happens-Before 读变量v = true.意味者如果线程B督导了v = true,那么线程A设置的x = 42 对线程B是可见的,也就是说,线程B能看到x == 42.这就是1.5版本对volatile语义的增强,1.5 版本的并发工具包（java.util.concurrent）就是靠 volatile 语义来搞定可见性的.
4. 管程中锁的规则
这条规则是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。
管程是一种通用的同步原语，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.
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。
5. 线程 start() 规则
这条是关于线程启动的。它是指主线程 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。
换句话说就是，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。
6. 线程 join() 规则
这条是关于线程等待的.它指的是主线程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),但子线程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,看到指的是对共享变量的操作.
换句话说就是，如果在线程 A 中，调用线程 B 的 join() 并成功返回，那么线程 B 中的任意操作 Happens-Before 于该 join() 操作的返回。
被我们忽视的 final
volatile 为的是禁用缓存以及编译优化，
final 修饰变量时，初衷是告诉编译器：这个变量生而不变，可以可劲儿优化。Java 编译器在 1.5 以前的版本的确优化得很努力，以至于都优化错了。问题类似于上一期提到的利用双重检查方法创建单例，构造函数的错误重排导致线程可能看到 final 变量的值会变化
在 1.5 以后 Java 内存模型对 final 类型变量的重排进行了约束
总结
在 Java 语言里面，Happens-Before 的语义本质上是一种可见性，A Happens-Before B意味着 A 事件对 B 事件来说是可见的，无论 A 事件和 B 事件是否发生在同一个线程里。例如 A 事件发生在线程 1 上，B 事件发生在线程 2 上，Happens-Before 规则保证线程 2上也能看到 A 事件的发生。
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