JMM內(nèi)存抽象

JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關系：線程之間的共享變量存儲在主內(nèi)存中列肢，每個線程都有一個私有的本地內(nèi)存迹恐，本地內(nèi)存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本逗载。
本地內(nèi)存是JMM的一個抽象概念批什，并不真實存在农曲。它涵蓋了緩存，寫緩沖區(qū)，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化乳规。
同時JMM確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺之上形葬，通過禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序，為程序員提供一致的內(nèi)存可見性保證

所有實例域暮的、靜態(tài)域和數(shù)組元素存儲在堆內(nèi)存中笙以，堆內(nèi)存在線程之間共享
局部變量，方法定義參數(shù)和異常處理器參數(shù)不會在線程之間共享冻辩，它們不會有內(nèi)存可見性問題猖腕，也不受內(nèi)存模型的影響

重排序

在執(zhí)行程序時為了提高性能，編譯器和處理器常常會對指令做重排序

1. 編譯器優(yōu)化的重排序：編譯器在不改變單線程程序語義的前提下恨闪，可以重新安排語句的執(zhí)行順序
2. 指令級并行的重排序：現(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術（Instruction-Level Parallelism倘感， ILP）來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性咙咽，處理器可以改變語句對應機器指令的執(zhí)行順序
3. 內(nèi)存系統(tǒng)的重排序：由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)老玛，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執(zhí)行

• 對于編譯器：JMM的編譯器重排序規(guī)則會禁止特定類型的編譯器重排序
• 對于處理器重排序：JMM的處理器重排序規(guī)則會要求java編譯器在生成指令序列時，插入特定類型的內(nèi)存屏障（memory barriers）指令钧敞，通過內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序

內(nèi)存屏障

為了保證內(nèi)存可見性蜡豹，java編譯器在生成指令序列的適當位置會插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序

StoreLoad Barriers是一個“全能型”的屏障，它同時具有其他三個屏障的效果凤巨。執(zhí)行該屏障開銷會很昂貴视乐，因為當前處理器通常要把寫緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部刷新到內(nèi)存中（buffer fully flush）

Happen-Before原則

JMM通過這個概念來闡述操作之間的內(nèi)存可見性：如果一個操作執(zhí)行的結果需要對另一個操作可見，那么這兩個操作之間必須存在happens-before關系
兩個操作既可以是在一個線程之內(nèi)敢茁，也可以是在不同線程之間

• 程序順序規(guī)則：一個線程中的每個操作佑淀，happens- before 于該線程中的任意后續(xù)操作
• 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個監(jiān)視器鎖的解鎖，happens- before 于隨后對這個監(jiān)視器鎖的加鎖
• volatile變量規(guī)則：對一個volatile域的寫彰檬，happens- before 于任意后續(xù)對這個volatile域的讀
• 傳遞性：如果A happens- before B伸刃，且B happens- before C，那么A happens- before C

注意逢倍，兩個操作之間具有happens-before關系捧颅，并不意味著前一個操作必須要在后一個操作之前執(zhí)行！happens-before僅僅要求前一個操作（執(zhí)行的結果）對后一個操作可見较雕，且前一個操作按順序排在第二個操作之前（the first is visible to and ordered before the second）

并發(fā)層次

通過Volatile機制和CAS指令實現(xiàn)了多核的

緩存一致性

通過MESI協(xié)議實現(xiàn)多核間的緩存一致性
CPU所有的操作都是在其各自核的緩存內(nèi)完成的碉哑，如果不回寫挚币，其他核根本不知道變量被修改了，只有當CPU對緩存進行回寫并通過MESI協(xié)議通知時才知道

Volatile

輕量級的同步機制扣典，不會引起線程的上下文切換
當寫一個volatile變量時妆毕，JMM會把該線程對應的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存
當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內(nèi)存置為無效贮尖。線程接下來將從主內(nèi)存中讀取共享變量笛粘。即每次都從主存中讀取最新的數(shù)據(jù)
但Volatile只能保證可見性，不能保證原子性

CAS

保證多核下指令執(zhí)行的原子性湿硝，但操作的是主存薪前，直接繞過了緩存（不會觸發(fā)緩存回寫）
所以要實現(xiàn)多核間的可見性，CAS操作的變量要使用volatile修飾

原子變量實現(xiàn)

利用volatile和cas
以AtomicInteger的實現(xiàn)為例

private volatile int value;

public final int incrementAndGet() {
  // 一直循環(huán)图柏，直到更新成功為止
  for (;;) {
    // 獲取當前值
    int current = get();
    int next = current + 1;
    // 使用cas原子性更新
    if (compareAndSet(current, next))
      return next;
    }
}

// volatile修飾序六，每次都讀取最新的值
public final int get() {
  return value;
}

AQS實現(xiàn)

本質(zhì)就是狀態(tài)+等待鏈表
通過一個內(nèi)部的Int變量來代表狀態(tài)任连，狀態(tài)的值代表通過還是等待
如果等待蚤吹，則提供一個非阻塞的等待鏈表（通過CAS來實現(xiàn)節(jié)點的增刪），同時在釋放時随抠，喚醒等待的線程
AQS是一個基礎類裁着，所有需要阻塞等待的，都可以使用其特性來實現(xiàn)

鎖實現(xiàn)

繼承于AQS拱她，對于互斥鎖二驰，狀態(tài)0為則沒有通過，并設置為1秉沼，否則阻塞等待

public void lock() {
  sync.lock();
}

// NonFair為例
final void lock() {
  // 設置狀態(tài)成功（0變成1）桶雀，成功獲取鎖
  if (compareAndSetState(0, 1))
    setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
  else
    // 再嘗試申請，失敗則等待
    acquire(1);
}

// AQS
public final void acquire(int arg) {
  // 如果嘗試申請失敗唬复，則將當前線程加入到等待隊列中
  if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
    selfInterrupt();
}

final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
  final Thread current = Thread.currentThread();
  // 再次嘗試申請一次
  int c = getState();
  if (c == 0) {
    if (compareAndSetState(0, acquires)) {
      setExclusiveOwnerThread(current);
      return true;
    }
  }
  // 如果是當前線程獲取的鎖矗积，則直接增加次數(shù)即可
  else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
    int nextc = c + acquires;
    if (nextc < 0) // overflow
      throw new Error("Maximum lock count exceeded");
    setState(nextc);
    return true;
  }
  return false;
}

并發(fā)數(shù)據(jù)結構

這里不對每個數(shù)據(jù)結構的實現(xiàn)方式做詳細描述，只簡單地列一下每個數(shù)據(jù)結構的大概使用方式

參考

深入理解Java內(nèi)存模型（一）——基礎
深入理解Java內(nèi)存模型（四）——volatile
聊聊并發(fā)（一）——深入分析Volatile的實現(xiàn)原理
深入理解Java內(nèi)存模型（五）——鎖