深入理解Java內(nèi)存模型詳解

原子性
原子性即一個操作或一系列是不可中斷的。即使是在多個線程的情況下，操作一旦開始，就不會被其他線程干擾。

比如，對于一個靜態(tài)變量int x兩條線程同時對其賦值，線程A賦值為1，而線程B賦值為2，不管線程如何運行，最終x的值要么是1，要么是2，線程A和線程B間的操作是沒有干擾的，這就是原子性操作，不可被中斷的。

Java內(nèi)存模型對以下操作保證其原子性：read，load，assign，use，store，write。我們可以大致認為基本數(shù)據(jù)類型的訪問讀寫是具備原子性的（前面也提到了long和double類型的“半個變量”情況，不過幾乎不會發(fā)生）。

從Java內(nèi)存模型底層來看有上面的原子性操作，但針對用戶來說，也就是我們編寫Java的程序，如果需要更大范圍的原子性保障，就需要同步關(guān)鍵字——synchronized來保障了。也就是說synchronized中的操作也具有原子性。

可見性
可見性是指當(dāng)一個線程修改了共享變量的值，其他線程能夠立即得知這個修改。

Java內(nèi)存模型是通過變量修改后將新值同步回主內(nèi)存，在變量讀取前從主內(nèi)存刷新變量值，將主內(nèi)存作為傳遞媒介?？苫仡櫼幌律掀恼碌膱D。

無論普通變量還是volatile變量都是如此，只不過volatile變量保證新值能夠立馬同步到主內(nèi)存，使用時也立即從主內(nèi)存刷新，保證了多線程操作時變量的可見性。而普通變量不能夠保證。

除了volatile，synchronized和final也能夠?qū)崿F(xiàn)可見性。

synchronized實現(xiàn)的可見性是通過“對一個變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中”來保證的。

主要有兩個原則：線程解鎖前，必須把共享變量的最新值刷新到主內(nèi)存中；線程加鎖時，將清空工作內(nèi)存中共享變量的值，從而使用共享變量時需要從主內(nèi)存中重新讀取最新的值。

final的可見性是指：被final修飾的字段在構(gòu)造器中一旦初始化完成，并且構(gòu)造器沒有把“this”的引用傳遞出去，那在其他線程中就能看見final的值。

有序性
在Java內(nèi)存模型中有序性可歸納為這樣一句話：如果在本線程內(nèi)觀察，所有操作都是有序的，如果在一個線程中觀察另一個線程，所有操作都是無序的。

有序性是指對于單線程的執(zhí)行代碼，執(zhí)行是按順序依次進行的。但在多線程環(huán)境中，則可能出現(xiàn)亂序現(xiàn)象，因為在編譯過程會出現(xiàn)“指令重排”，重排后的指令與原指令的順序未必一致。

因此，上面歸納的前半句指的是線程內(nèi)保證串行語義執(zhí)行，后半句則指指“令重排現(xiàn)”象和“工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。

同樣，Java語言提供了volatile和synchronized兩個關(guān)鍵字來保證線程之間操作的有序性。

指令重排
計算機執(zhí)行指令經(jīng)過編譯之后形成指令序列。一般情況，指令序列是會輸出確定的結(jié)果，且每一次的執(zhí)行都有確定的結(jié)果。

CPU和編譯器為了提升程序執(zhí)行的效率，會按照一定的規(guī)則允許進行指令優(yōu)化。但代碼邏輯之間是存在一定的先后順序，并發(fā)執(zhí)行時按照不同的執(zhí)行邏輯會得到不同的結(jié)果。

編譯器優(yōu)化重排序：編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，重新安排語句執(zhí)行順序。

指令級并行重排序：處理器采用了指令級并行技術(shù)來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應(yīng)及其的執(zhí)行順序。

內(nèi)存系統(tǒng)的重排序：處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)，使得加載和存儲操作看上去可能是亂序執(zhí)行。

舉個例來說明一下多線程中可能出現(xiàn)的重排現(xiàn)象：

class ReOrderDemo { ? ?int a = 0; ? ?boolean flag = false; ? ?public void write() { ? ? ? ?a = 1; ? ? ? ? ? ? ? ? ? //1 ? ? ? ?flag = true; ? ? ? ? ? ? //2 ? ?} ? ? ? ?public void read() { ? ? ? ?if (flag) { ? ? ? ? ? ? ? ?//3 ? ? ? ? ? ?int i = ?a * a; ? ? ? ?//4 ? ? ? ? ? ?…… ? ? ? ?} ? ?} }

在上面的代碼中，單線程執(zhí)行時，read方法能夠獲得flag的值進行判斷，獲得預(yù)期結(jié)果。但在多線程的情況下就可能出現(xiàn)不同的結(jié)果。

比如，當(dāng)線程A進行write操作時，由于指令重排，write方法中的代碼執(zhí)行順序可能會變成下面這樣：

flag = true; ? ? ? ? ? ? //2a = 1; ? ? ? ? ? ? ? ? ? //1

也就是說可能會先對flag賦值，然后再對a賦值。這在單線程中并不影響最終輸出的結(jié)果。

但如果與此同時，B線程在調(diào)用read方法，那么就有可能出現(xiàn)flag為true但a還是0，這時進入第4步操作的結(jié)果就為0，而不是預(yù)期的1了。

請記住，指令重排只會保證單線程中串行語義執(zhí)行的一致性，不會關(guān)心多線程間語義的一致性。這也是為什么在寫單例模式時需要考慮添加volatile關(guān)鍵詞來修飾，就是為了防止指令重排導(dǎo)致的問題。

JMM提供的解決方案
在了解了原子性、可見性以及有序性問題后，看看JMM是提供了什么機制來保證這些特性的。

原子性問題，除了JVM自身提供的對基本數(shù)據(jù)類型讀寫操作的原子性外，對于方法級別或者代碼塊級別的原子性操作，可以使用synchronized關(guān)鍵字或者重入鎖(ReentrantLock)保證程序執(zhí)行的原子性。

而工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲現(xiàn)象導(dǎo)致的可見性問題，可以使用synchronized關(guān)鍵字或者volatile關(guān)鍵字解決。它們都可以使一個線程修改后的變量立即對其他線程可見。

對于指令重排導(dǎo)致的可見性問題和有序性問題，則可以利用volatile關(guān)鍵字解決。volatile的另一個作用就是禁止重排序優(yōu)化。

除了靠sychronized和volatile關(guān)鍵字之外，JMM內(nèi)部還定義一套happens-before（先行發(fā)生）原則來保證多線程環(huán)境下兩個操作間的原子性、可見性以及有序性。