Java Memory Model，通過定義程序中各個變量的訪問規(guī)則帆调，即在虛擬機(jī)中將變量存儲到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)砚殿，屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異。
1.JMM的抽象結(jié)構(gòu)
如下圖所示先朦，線程之間的共享變量(實例域，靜態(tài)域和數(shù)組元素)存儲在主內(nèi)存(Main Memory)中犬缨，每個線程都有一個私有的本地內(nèi)存（Local Memory),本地內(nèi)存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本喳魏。JMM決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見。
在上圖中怀薛，如果線程A和線程B要進(jìn)行通信刺彩，必須要經(jīng)歷以下兩個步驟：
- 線程A把本地內(nèi)存中A中更新近的共享變量刷新到主內(nèi)存中去。
- 線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A之前已更新過的共享變量枝恋。
2.內(nèi)存間的交互操作
關(guān)于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間具體的交互協(xié)議创倔，即一個變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存、如何從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存之類的實現(xiàn)細(xì)節(jié)焚碌，Java內(nèi)存模型中定義了以下8種操作來完成畦攘，虛擬機(jī)實現(xiàn)時必須保證下面提及的每一種操作都是原子的、不可再分的十电。
- lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量知押，它把一個變量標(biāo)識為一條線程獨(dú)占的狀態(tài)。
- unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存的變量鹃骂，它把一個處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來台盯，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。
- read（讀任废摺）：作用于主內(nèi)存的變量静盅，它把一個變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動作使用寝殴。
- load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量蒿叠，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中明垢。
- use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中一個變量的值傳遞給執(zhí)行引擎栈虚，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個需要使用到變量的值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作袖外。
- assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量魂务，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個給變量賦值的字節(jié)碼指令時執(zhí)行這個操作曼验。
- store（存儲）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中一個變量的值傳送到主內(nèi)存中粘姜，以便隨后的write操作使用鬓照。
- write（寫入）：作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中孤紧。
3.重排序
重排序是指編繹器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對指令序列進(jìn)行重新排序的一種手段豺裆。重排序分為編譯器優(yōu)化的重排序，指令級并行的重排序和內(nèi)存系統(tǒng)的重排序号显。從Java源代碼到最終實際執(zhí)行的指令序列臭猜，會分別經(jīng)歷這3種重排序，如下所示：
上圖中的1屬于編繹器重排序押蚤，2和3屬于處理器重排序蔑歌。
3.1 內(nèi)存屏障
Memory Barrier，又稱內(nèi)存柵欄揽碘，是一個CPU指令次屠，基本上它是一條這樣的指令：
1、保證特定操作的執(zhí)行順序雳刺。
2劫灶、影響某些數(shù)據(jù)（或則是某條指令的執(zhí)行結(jié)果）的內(nèi)存可見性。
為了保證內(nèi)存可見性掖桦，Java編繹器在生成指令序列的適當(dāng)位置會插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序本昏。JMM把內(nèi)存屏障分為4類，如下所示：
3.2 happens-before
從jdk5開始枪汪，java使用新的JSR-133內(nèi)存模型涌穆，基于happens-before的概念來闡述操作之間的內(nèi)存可見性。
在JMM中料饥，如果一個操作的執(zhí)行結(jié)果需要對另一個操作可見，那么這兩個操作之間必須要存在happens-before關(guān)系朱监，這個的兩個操作既可以在同一個線程岸啡，也可以在不同的兩個線程中。
與程序員密切相關(guān)的happens-before規(guī)則如下：
1赫编、程序順序規(guī)則：一個線程中的每個操作巡蘸，happens-before于該線程中任意的后續(xù)操作奋隶。
2、監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個鎖的解鎖操作悦荒，happens-before于隨后對這個鎖的加鎖操作唯欣。
3、volatile域規(guī)則：對一個volatile域的寫操作搬味，happens-before于任意線程后續(xù)對這個volatile域的讀境氢。
4、傳遞性規(guī)則：如果 A happens-before B碰纬，且 B happens-before C萍聊，那么A happens-before C。
注意：兩個操作之間具有happens-before關(guān)系悦析，并不意味前一個操作必須要在后一個操作之前執(zhí)行寿桨！僅僅要求前一個操作的執(zhí)行結(jié)果，對于后一個操作是可見的强戴，且前一個操作按順序排在后一個操作之前亭螟。
3.3 數(shù)據(jù)依賴性
如果兩個操作訪問同一個變量，且這兩個操作中有一個為寫操作骑歹，此時這兩個操作之間就存在數(shù)據(jù)依賴性预烙。數(shù)據(jù)依賴性分為下列3種類型，如下所示：
對于上面的3種情況陵刹，只要重排序兩個操作的執(zhí)行順序默伍，程序的執(zhí)行結(jié)果就會被改變。編繹器和處理器在重排序時衰琐，會遵守數(shù)據(jù)依賴性也糊，而不會改變存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的兩個操作的執(zhí)行順序。
3.4 as-if-serial
as-if-serial語義的意思是：不管怎么重排序（編繹器和處理器為了提高并行度）羡宙，（單線程）程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變狸剃。編繹器，runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語義狗热。
3.5 示例
為了具體說明钞馁，請看下面計算圓面積的代碼示例：
double pi = 3.14; //A
double r = 1.0; //B
double area = pi * r * r; //C
上面3個操作的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系如下圖所示：
A和C之間存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，同時B和C之間也存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系匿刮。因此在最終執(zhí)行的指令序列中僧凰，C不能被重排序到A和B的前面（C排到A和B的前面，程序的結(jié)果將會被改變）熟丸。但A和B之間沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系训措，編譯器和處理器可以重排序A和B之間的執(zhí)行順序。下圖是該程序的兩種執(zhí)行順序:
3.6 重排序?qū)Χ嗑€程的影響
先看如下示例代碼：
class ReorderExample {
int a = 0;
boolean flag = false;
public void writer() {
a = 1; //1
flag = true; //2
}
public void reader() {
if (flag) { //3
int i = a * a; //4
//s……
}
}
}
flag變量是個標(biāo)記，用來標(biāo)識變量a是否已被寫入绩鸣。這里假設(shè)有兩個線程A和B怀大，A首先執(zhí)行writer()方法，隨后B線程接著執(zhí)行reader()方法呀闻。線程B在執(zhí)行操作4時化借，能否看到線程A在操作1對共享變量a的寫入呢？
答案是：不一定能看到捡多。
由于操作1和操作2沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系蓖康，編譯器和處理器可以對這兩個操作重排序；同樣局服，操作3和操作4沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系钓瞭，編譯器和處理器也可以對這兩個操作重排序。讓我們先來看看淫奔，當(dāng)操作1和操作2重排序時山涡，可能會產(chǎn)生什么效果？請看下面的程序執(zhí)行時序圖唆迁，如下圖所示：
上圖中操作1和操作2做了重排序鸭丛。程序執(zhí)行時，線程A首先寫標(biāo)記變量flag唐责，隨后線B讀這個變量鳞溉。由于條件判斷為真，線程B將讀取變量a鼠哥。此時熟菲，變量a還沒有被線程A寫入，在里多線程程序的語義被重排序破壞了朴恳！
下面再讓我們看看抄罕，當(dāng)操作3和操作4重排序時會產(chǎn)生什么效果（借助這個重排序，可便說明控制依賴性）于颖。下面是操作3和操作4重排序后呆贿，程序執(zhí)行的時序圖，如下圖所示:
在程序中森渐，操作3和操作4存在控制依賴關(guān)系做入。當(dāng)代碼中存在控制依賴性時，會影響指令序列執(zhí)行的并行度同衣。為此竟块，編譯器和處理器會采用猜測Speculation）執(zhí)行來克服控制相關(guān)性對并行度的影響。以處理器的猜測執(zhí)行為例耐齐，執(zhí)行線程B的處理器可以提前讀取并計算a*a浪秘，然后把計算結(jié)果臨時保存到一個名為重排序緩沖（Reorder Buffer前弯，ROB）的硬件緩存中。當(dāng)操作3的條件判斷為真時秫逝，就把該計算結(jié)果寫入變量i中。
從上圖中我們可以看出询枚，猜測執(zhí)行實質(zhì)上對操作3和4做了重排序违帆。重排序在這里破壞了多線程程序的語義！
通過上例可以得出結(jié)論：在單線程程序中金蜀，對存在控制依賴的操作重排序刷后，不會改變執(zhí)行結(jié)果（這也是as-if-serial語義允許對存在控制依賴的操作做重排序的原因）；但在多線程程序中渊抄，對存在控制依賴的操作重排序尝胆，可能會改變程序的執(zhí)行結(jié)果。
