Java内存模型的几个灵魂拷问

Java内存模型(Java Memory Model，JMM)JSR-1337制定的规范，定义程序中变量的访问规则，屏蔽掉Java程序在各种不同的硬件和操作系统对内存的访问的差异，这样就可以实现java程序在跨平台上都能达到内存访问的一致性。

JMM 内存模型

首先要记住有三个组件，CPU、工作内存和主内存，访问顺序也是按照如下图箭头的顺序来的。

JMM

• 处理器（cpu）： 寄存器：每个cpu都包含一系列寄存器，他们是cpu的基础，寄存器执行的速度，远大于在主存上执行的速度
• cpu高速缓存：由于处理器与内存访问速度差距非常大，所以添加了读写速度尽可能接近处理器的高速缓存，来作为内存与处理器之间的缓冲，将数据读到缓存中，让运算快速进行，当运算结束，再从缓存同步到主存中，就无须等待缓慢的内存读写了。处理器访问缓存的速度快与访问主存的速度，但比访问内部寄存器的速度还是要慢点，每个cpu有一个cpu的缓存层，一个cpu含有多层缓存，，某一时刻，一个或者多个缓存行可能同时被读取到缓存取，也可能同时被刷新到主存中，同一时刻，可能存在多个操作，
• 主内存：一个计算机包含一个主存，所有cpu都可以访问主存，主存通常远大于cpu中的缓存，

运作原理： 通常，当一个cpu需要读取主存时，他会将主存的内容读取到缓存中，将缓存中的内容读取到内部寄存器中，在寄存器中执行操作，当cpu需要将结果回写到主存中时，他会将内部寄存器的值刷新到缓存中，然后会在某个时间点将值刷新回主存。详细的指令还可以继续划分为（lock、unlock、read、load、use、assign、store、write）

JMM的同步操作

可见性、原子性和有序性

缓存导致的可见性问题，线程切换带来的原子性问题，编译优化带来的有序性问题，其实缓存、线程、编译优化的目的和我们写并发程序的目的是相同的，都是提高程序性能。

1、可见性

多核时代，每颗 CPU 都有自己的缓存，这时 CPU 缓存与内存的数据一致性就没那么容易解决了，当多个线程在不同的 CPU 上执行时，这些线程操作的是不同的 CPU 缓存。一个线程对共享变量的修改，另外一个线程能够立刻看到，我们称为可见性。就如同下面这张图：

线程 A 对变量 V 的操作对于线程 B 而言就不具备可见性

2、原子性

操作系统做任务切换，可以发生在任何一条CPU 指令执行完，而 CPU 指令并不是高级语言里的一条语句。比如 count+=1、new Object()这些程序语句都是几条CPU指令，我们把一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性称为原子性。CPU 能保证的原子操作是 CPU 指令级别的，而不是高级语言的操作符，这是违背我们直觉的地方，有些时候需要在高级语言层面保证操作的原子性。

3、有序性

有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行。编译器为了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序。在 Java 领域一个经典的案例就是利用双重检查创建单例对象，我们以为的 new 操作应该是：

• 分配一块内存 M；
• 在内存 M 上初始化 Singleton 对象；
• 然后 M 的地址赋值给 instance 变量。

实际上有可能会发生2、3步骤的互换。所以此处的优化方案是对instance进行volatile语义声明，就可以禁止指令重排序，避免该情况发生。

重排序的相关问题

1、指令重排

指令重排：大多数现代处理器都会采用将指令乱序执行（out-of-order execution，简称OoOE或OOE）的方法，在条件允许的情况下，直接运行当前有能力立即执行的后续指令，避开获取下一条指令所需数据时造成的等待。通过乱序执行的技术，处理器就可以大大提高执行效率。

2、happens-before的原则

不同硬件环境下指令重排序的规则不尽相同，虽然代码重排序，乱排，要守一定的规则——happens-before原则，不能翻译为“先行发生”，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。只要符合happens-before的原则，那么就不能胡乱重排，如果不符合这些规则的话，那就可以自己排序。

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。
—— 极客时间：《看Java如何解决可见性和有序性问题》

具体的规则如下，有兴趣的可以看看：

• 程序次序法则：线程中的每个动作A都happens-before于该线程中的每一个动作B，其中，在程序中，所有的动作B都能出现在A之后。
• 监视器锁法则：对一个监视器锁的解锁 happens-before于每一个后续对同一监视器锁的加锁。
• volatile变量法则：对volatile域的写入操作happens-before于每一个后续对同一个域的读写操作。
• 线程启动法则：在一个线程里，对Thread.start的调用会happens-before于每个启动线程的动作。
• 线程终结法则：线程中的任何动作都happens-before于其他线程检测到这个线程已经终结、或者从Thread.join调用中成功返回，或Thread.isAlive返回false。
• 中断法则：一个线程调用另一个线程的interrupt happens-before于被中断的线程发现中断。
• 终结法则：一个对象的构造函数的结束happens-before于这个对象finalizer的开始。
• 传递性：如果A happens-before于B，且B happens-before于C，则A happens-before于C。

3、内存屏障

内存屏障（Memory Barrier，或有时叫做内存栅栏，Memory Fence）是一种CPU指令，用于控制特定条件下的重排序和内存可见性问题。Java编译器也会根据内存屏障的规则禁止重排序。内存屏障可以被分为以下几种类型：

• LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
• StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
• LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
• StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能。

讲完了这个地方，有了内存相关的基础，就可以在下面一篇文章里开始对volatile关键字进行讲解了。

参考引用

1、JVM内存模型、指令重排、内存屏障概念解析
2、极客时间，Java内存模型：看Java如何解决可见性和有序性问题