什么是Java内存模型

在知识星球中，有个小伙伴提了一个问题：
有一个关于JVM名词定义的问题，说”JVM内存模型“，有人会说是关于JVM内存分布（堆栈，方法区等）这些介绍，也有地方说（深入理解JVM虚拟机）上说Java内存模型是JVM的抽象模型（主内存，本地内存）。这两个到底怎么区分啊？有必然关系吗？比如主内存就是堆，本地内存就是栈，这种说法对吗？

时间久了，我也把内存模型和内存结构给搞混了，所以抽了时间把JSR133规范中关于内存模型的部分重新看了下。

后来听了好多人反馈：在面试的时候，有面试官会让你解释一下Java的内存模型，有些人解释对了，结果面试官说不对，应该是堆啊、栈啊、方法区什么的（这不是半吊子面试么，自己概念都不清楚）

JVM中的堆啊、栈啊、方法区什么的，是Java虚拟机的内存结构，Java程序启动后，会初始化这些内存的数据。

内存结构就是上图中内存空间这些东西，而Java内存模型，完全是另外的一个东西。

什么是内存模型

在多CPU的系统中，每个CPU都有多级缓存，一般分为L1、L2、L3缓存，因为这些缓存的存在，提供了数据的访问性能，也减轻了数据总线上数据传输的压力，同时也带来了很多新的挑战，比如两个CPU同时去操作同一个内存地址，会发生什么？在什么条件下，它们可以看到相同的结果？这些都是需要解决的。

所以在CPU的层面，内存模型定义了一个充分必要条件，保证其它CPU的写入动作对该CPU是可见的，而且该CPU的写入动作对其它CPU也是可见的，那这种可见性，应该如何实现呢？

有些处理器提供了强内存模型，所有CPU在任何时候都能看到内存中任意位置相同的值，这种完全是硬件提供的支持。

其它处理器，提供了弱内存模型，需要执行一些特殊指令（就是经常看到或者听到的，memory barriers内存屏障），刷新CPU缓存的数据到内存中，保证这个写操作能够被其它CPU可见，或者将CPU缓存的数据设置为无效状态，保证其它CPU的写操作对本CPU可见。通常这些内存屏障的行为由底层实现，对于上层语言的程序员来说是透明的（不需要太关心具体的内存屏障如何实现）。

前面说到的内存屏障，除了实现CPU之前的数据可见性之外，还有一个重要的职责，可以禁止指令的重排序。

这里说的重排序可以发生在好几个地方：编译器、运行时、JIT等，比如编译器会觉得把一个变量的写操作放在最后会更有效率，编译后，这个指令就在最后了（前提是只要不改变程序的语义，编译器、执行器就可以这样自由的随意优化），一旦编译器对某个变量的写操作进行优化（放到最后），那么在执行之前，另一个线程将不会看到这个执行结果。

当然了，写入动作可能被移到后面，那也有可能被挪到了前面，这样的“优化”有什么影响呢？这种情况下，其它线程可能会在程序实现“发生”之前，看到这个写入动作（这里怎么理解，指令已经执行了，但是在代码层面还没执行到）。通过内存屏障的功能，我们可以禁止一些不必要、或者会带来负面影响的重排序优化，在内存模型的范围内，实现更高的性能，同时保证程序的正确性。

下面看一个重排序的例子：

Class Reordering {
  int x = 0, y = 0;
  public void writer() {
    x = 1;
    y = 2;
  }

  public void reader() {
    int r1 = y;
    int r2 = x;
  }
}

假设这段代码有2个线程并发执行，线程A执行writer方法，线程B执行reader方法，线程B看到y的值为2，因为把y设置成2发生在变量x的写入之后（代码层面），所以能断定线程B这时看到的x就是1吗？

当然不行！ 因为在writer方法中，可能发生了重排序，y的写入动作可能发在x写入之前，这种情况下，线程B就有可能看到x的值还是0。

在Java内存模型中，描述了在多线程代码中，哪些行为是正确的、合法的，以及多线程之间如何进行通信，代码中变量的读写行为如何反应到内存、CPU缓存的底层细节。

在Java中包含了几个关键字：volatile、final和synchronized，帮助程序员把代码中的并发需求描述给编译器。Java内存模型中定义了它们的行为，确保正确同步的Java代码在所有的处理器架构上都能正确执行。

synchronization 可以实现什么

Synchronization有多种语义，其中最容易理解的是互斥，对于一个monitor对象，只能够被一个线程持有，意味着一旦有线程进入了同步代码块，那么其它线程就不能进入直到第一个进入的线程退出代码块（这因为都能理解）。

但是更多的时候，使用synchronization并非单单互斥功能，Synchronization保证了线程在同步块之前或者期间写入动作，对于后续进入该代码块的线程是可见的（又是可见性，不过这里需要注意是对同一个monitor对象而言）。在一个线程退出同步块时，线程释放monitor对象，它的作用是把CPU缓存数据（本地缓存数据）刷新到主内存中，从而实现该线程的行为可以被其它线程看到。在其它线程进入到该代码块时，需要获得monitor对象，它在作用是使CPU缓存失效，从而使变量从主内存中重新加载，然后就可以看到之前线程对该变量的修改。

但从缓存的角度看，似乎这个问题只会影响多处理器的机器，对于单核来说没什么问题，但是别忘了，它还有一个语义是禁止指令的重排序，对于编译器来说，同步块中的代码不会移动到获取和释放monitor外面。

下面这种代码，千万不要写，会让人笑掉大牙：

synchronized (new Object()) {
}

这实际上是没有操作的操作，编译器完成可以删除这个同步语义，因为编译知道没有其它线程会在同一个monitor对象上同步。

所以，请注意：对于两个线程来说，在相同的monitor对象上同步是很重要的，以便正确的设置happens-before关系。

final 可以影响什么

如果一个类包含final字段，且在构造函数中初始化，那么正确的构造一个对象后，final字段被设置后对于其它线程是可见的。

这里所说的正确构造对象，意思是在对象的构造过程中，不允许对该对象进行引用，不然的话，可能存在其它线程在对象还没构造完成时就对该对象进行访问，造成不必要的麻烦。

class FinalFieldExample {
  final int x;
  int y;
  static FinalFieldExample f;
  public FinalFieldExample() {
    x = 3;
    y = 4;
  }

  static void writer() {
    f = new FinalFieldExample();
  }

  static void reader() {
    if (f != null) {
      int i = f.x;
      int j = f.y;
    }
  }
}

上面这个例子描述了应该如何使用final字段，一个线程A执行reader方法，如果f已经在线程B初始化好，那么可以确保线程A看到x值是3，因为它是final修饰的，而不能确保看到y的值是4。
如果构造函数是下面这样的：

public FinalFieldExample() { // bad!
  x = 3;
  y = 4;
  // bad construction - allowing this to escape
  global.obj = this;
}

这样通过global.obj拿到对象后，并不能保证x的值是3.

volatile可以做什么

Volatile字段主要用于线程之间进行通信，volatile字段的每次读行为都能看到其它线程最后一次对该字段的写行为，通过它就可以避免拿到缓存中陈旧数据。它们必须保证在被写入之后，会被刷新到主内存中，这样就可以立即对其它线程可以见。类似的，在读取volatile字段之前，缓存必须是无效的，以保证每次拿到的都是主内存的值，都是最新的值。volatile的内存语义和sychronize获取和释放monitor的实现目的是差不多的。

对于重新排序，volatile也有额外的限制。

下面看一个例子：

class VolatileExample {
  int x = 0;
  volatile boolean v = false;
  public void writer() {
    x = 42;
    v = true;
  }

  public void reader() {
    if (v == true) {
      //uses x - guaranteed to see 42.
    }
  }
}

同样的，假设一个线程A执行writer，另一个线程B执行reader，writer中对变量v的写入把x的写入也刷新到主内存中。reader方法中会从主内存重新获取v的值，所以如果线程B看到v的值为true，就能保证拿到的x是42.（因为把x设置成42发生在把v设置成true之前，volatile禁止这两个写入行为的重排序）。

如果变量v不是volatile，那么以上的描述就不成立了，因为执行顺序可能是v=true, x=42,或者对于线程B来说，根本看不到v被设置成了true。

double-checked locking的问题

臭名昭著的双重检查（其中一种单例模式），是一种延迟初始化的实现技巧，避免了同步的开销，因为在早期的JVM，同步操作性能很差，所以才出现了这样的小技巧。

private static Something instance = null;

public Something getInstance() {
  if (instance == null) {
    synchronized (this) {
      if (instance == null)
        instance = new Something();
    }
  }
  return instance;
}

这个技巧看起来很聪明，避免了同步的开销，但是有一个问题，它可能不起作用，为什么呢？因为实例的初始化和实例字段的写入可能被编译器重排序，这样就可能返回部门构造的对象，结果就是读到了一个未初始化完成的对象。

当然，这种bug可以通过使用volatile修饰instance字段进行fix，但是我觉得这种代码格式实在太丑陋了，如果真要延迟初始化实例，不妨使用下面这种方式：

private static class LazySomethingHolder {
  public static Something something = new Something();
}

public static Something getInstance() {
  return LazySomethingHolder.something;
}

由于是静态字段的初始化，可以确保对访问该类的所以线程都是可见的。

对于这些，我们需要关心什么

并发产生的bug非常难以调试，通常在测试代码中难以复现，当系统负载上来之后，一旦发生，又很难去捕捉，为了确保程序能够在任意环境正确的执行，最好是提前花点时间好好思考，虽然很难，但还是比调试一个线上bug来得容易的多。