前言
在并發(fā)編程中调炬，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：
線程之間如何通信函筋；
線程之間如何同步盼忌；
線程通信是指線程之間以何種機(jī)制來交換信息贝润。在命令式編程中绊茧，線程之間的通信機(jī)制有兩種：共享內(nèi)存和消息傳遞。
在共享內(nèi)存的并發(fā)模型里打掘，線程之間共享程序的公共狀態(tài)华畏，線程之間通過寫-讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)來隱式進(jìn)行通信。
在消息傳遞的并發(fā)模型里尊蚁，線程之間沒有公共狀態(tài)亡笑，線程之間必須通過明確的發(fā)送消息來顯式進(jìn)行通信。
線程同步是指程序用于控制不同線程之間操作發(fā)生相對順序的機(jī)制横朋。
在共享內(nèi)存的并發(fā)模型里仑乌，同步是顯式進(jìn)行的。程序員必須顯式指定某個(gè)方法或某段代碼需要在線程之間互斥執(zhí)行琴锭。
在消息傳遞的并發(fā)模型里绝骚，由于消息的發(fā)送必須在消息的接收之前，因此同步是隱式進(jìn)行的祠够。
Java的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型压汪，Java線程之間的通信總是隱式進(jìn)行，整個(gè)通信過程對程序員完全透明 — 隱式通信古瓤、顯示同步止剖。如果你想設(shè)計(jì)表現(xiàn)良好的并發(fā)程序，理解Java內(nèi)存模型是非常重要的落君。Java內(nèi)存模型規(guī)定了如何和何時(shí)可以看到由其他線程修改過后的共享變量的值穿香，以及在必須時(shí)如何同步的訪問共享變量。
1 為什么要有內(nèi)存模型
在介紹Java內(nèi)存模型之前绎速，先來看一下到底什么是計(jì)算機(jī)內(nèi)存模型皮获，然后再來看Java內(nèi)存模型在計(jì)算機(jī)內(nèi)存模型的基礎(chǔ)上做了哪些事情。要說計(jì)算機(jī)的內(nèi)存模型纹冤，就要說一下一段古老的歷史洒宝，看一下為什么要有內(nèi)存模型。
1.1 CPU和緩存一致性
我們應(yīng)該都知道萌京，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的時(shí)候雁歌，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的，而執(zhí)行的時(shí)候知残，又免不了要和數(shù)據(jù)打交道靠瞎。而計(jì)算機(jī)上面的數(shù)據(jù)，是存放在主存當(dāng)中的，也就是計(jì)算機(jī)的物理內(nèi)存啦乏盐。
剛開始佳窑，還相安無事的，但是隨著CPU技術(shù)的發(fā)展父能，CPU的執(zhí)行速度越來越快华嘹。而由于內(nèi)存的技術(shù)并沒有太大的變化，所以從內(nèi)存中讀取和寫入數(shù)據(jù)的過程和CPU的執(zhí)行速度比起來差距就會(huì)越來越大法竞，這就導(dǎo)致CPU每次操作內(nèi)存都要耗費(fèi)很多等待時(shí)間。
這就像一家創(chuàng)業(yè)公司强挫，剛開始岔霸，創(chuàng)始人和員工之間工作關(guān)系其樂融融，但是隨著創(chuàng)始人的能力和野心越來越大俯渤，逐漸和員工之間出現(xiàn)了差距呆细，普通員工原來越跟不上CEO的腳步。老板的每一個(gè)命令八匠，傳到到基層員工之后絮爷，由于基層員工的理解能力、執(zhí)行能力的欠缺梨树，就會(huì)耗費(fèi)很多時(shí)間坑夯。這也就無形中拖慢了整家公司的工作效率。
可是抡四，不能因?yàn)閮?nèi)存的讀寫速度慢柜蜈，就不發(fā)展CPU技術(shù)了吧，總不能讓內(nèi)存成為計(jì)算機(jī)處理的瓶頸吧指巡。
所以淑履，人們想出來了一個(gè)好的辦法，就是在CPU和內(nèi)存之間增加高速緩存藻雪。緩存的概念大家都知道秘噪，就是保存一份數(shù)據(jù)拷貝。它的特點(diǎn)是速度快勉耀，內(nèi)存小指煎，并且昂貴。
那么便斥，程序的執(zhí)行過程就變成了：當(dāng)程序在運(yùn)行過程中贯要，會(huì)將運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到CPU的高速緩存當(dāng)中，那么CPU進(jìn)行計(jì)算時(shí)就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫入數(shù)據(jù)椭住，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束之后崇渗，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當(dāng)中。
之后，這家公司開始設(shè)立中層管理人員宅广，管理人員直接歸CEO領(lǐng)導(dǎo)葫掉，領(lǐng)導(dǎo)有什么指示，直接告訴管理人員跟狱，然后就可以去做自己的事情了俭厚。管理人員負(fù)責(zé)去協(xié)調(diào)底層員工的工作。因?yàn)楣芾砣藛T是了解手下的人員以及自己負(fù)責(zé)的事情的驶臊。所以挪挤，大多數(shù)時(shí)候，公司的各種決策关翎，通知等扛门，CEO只要和管理人員之間溝通就夠了。
而隨著CPU能力的不斷提升纵寝，一層緩存就慢慢的無法滿足要求了论寨，就逐漸的衍生出多級緩存。
按照數(shù)據(jù)讀取順序和與CPU結(jié)合的緊密程度爽茴，CPU緩存可以分為一級緩存（L1）葬凳，二級緩存（L3），部分高端CPU還具有三級緩存（L3）室奏，每一級緩存中所儲存的全部數(shù)據(jù)都是下一級緩存的一部分火焰。這三種緩存的技術(shù)難度和制造成本是相對遞減的，所以其容量也是相對遞增的胧沫。
那么荐健，在有了多級緩存之后，程序的執(zhí)行就變成了：當(dāng)CPU要讀取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)琳袄，首先從一級緩存中查找江场，如果沒有找到再從二級緩存中查找，如果還是沒有就從三級緩存或內(nèi)存中查找窖逗。
隨著公司越來越大址否，老板要管的事情越來越多，公司的管理部門開始改革碎紊，開始出現(xiàn)高層佑附，中層，底層等管理者仗考。一級一級之間逐層管理音同。
單核CPU只含有一套L1，L2秃嗜，L3緩存权均。如果CPU含有多個(gè)核心顿膨，即多核CPU，則每個(gè)核心都含有一套L1（甚至和L2）緩存叽赊，而共享L3（或者和L2）緩存恋沃。
公司也分很多種，有些公司只有一個(gè)大Boss必指，他一個(gè)人說了算囊咏。但是有些公司有比如聯(lián)席總經(jīng)理、合伙人等機(jī)制塔橡。
單核CPU就像一家公司只有一個(gè)老板梅割，所有命令都來自于他，那么就只需要一套管理班底就夠了葛家。
多核CPU就像一家公司是由多個(gè)合伙人共同創(chuàng)辦的户辞，那么，就需要給每個(gè)合伙人都設(shè)立一套供自己直接領(lǐng)導(dǎo)的高層管理人員惦银，多個(gè)合伙人共享使用的是公司的底層員工。
還有的公司末誓，不斷壯大扯俱，開始差分出各個(gè)子公司。各個(gè)子公司就是多個(gè)CPU了喇澡，互相之前沒有共用的資源迅栅。互不影響晴玖。
隨著計(jì)算機(jī)能力不斷提升读存，開始支持多線程。那么問題就來了呕屎。我們分別來分析下單線程让簿、多線程在單核CPU、多核CPU中的影響秀睛。
單線程：CPU核心的緩存只被一個(gè)線程訪問尔当。緩存獨(dú)占，不會(huì)出現(xiàn)訪問沖突等問題蹂安。
單核CPU椭迎，多線程：進(jìn)程中的多個(gè)線程會(huì)同時(shí)訪問進(jìn)程中的共享數(shù)據(jù)，CPU將某塊內(nèi)存加載到緩存后田盈，不同線程在訪問相同的物理地址的時(shí)候畜号，都會(huì)映射到相同的緩存位置，這樣即使發(fā)生線程的切換允瞧，緩存仍然不會(huì)失效简软。但由于任何時(shí)刻只能有一個(gè)線程在執(zhí)行蛮拔，因此不會(huì)出現(xiàn)緩存訪問沖突。
多核CPU替饿，多線程：每個(gè)核都至少有一個(gè)L1 緩存语泽。多個(gè)線程訪問進(jìn)程中的某個(gè)共享內(nèi)存，且這多個(gè)線程分別在不同的核心上執(zhí)行视卢，則每個(gè)核心都會(huì)在各自的caehe中保留一份共享內(nèi)存的緩沖踱卵。由于多核是可以并行的，可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線程同時(shí)寫各自的緩存的情況据过，而各自的cache之間的數(shù)據(jù)就有可能不同惋砂。
在CPU和主存之間增加緩存，在多線程場景下就可能存在緩存一致性問題绳锅，也就是說西饵，在多核CPU中，每個(gè)核的自己的緩存中鳞芙，關(guān)于同一個(gè)數(shù)據(jù)的緩存內(nèi)容可能不一致眷柔。
如果這家公司的命令都是串行下發(fā)的話，那么就沒有任何問題原朝。
如果這家公司的命令都是并行下發(fā)的話驯嘱，并且這些命令都是由同一個(gè)CEO下發(fā)的，這種機(jī)制是也沒有什么問題喳坠。因?yàn)樗拿顖?zhí)行者只有一套管理體系鞠评。
如果這家公司的命令都是并行下發(fā)的話，并且這些命令是由多個(gè)合伙人下發(fā)的壕鹉，這就有問題了剃幌。因?yàn)槊總€(gè)合伙人只會(huì)把命令下達(dá)給自己直屬的管理人員，而多個(gè)管理人員管理的底層員工可能是公用的晾浴。
比如负乡，合伙人1要辭退員工a，合伙人2要給員工a升職脊凰，升職后的話他再被辭退需要多個(gè)合伙人開會(huì)決議敬鬓。兩個(gè)合伙人分別把命令下發(fā)給了自己的管理人員。合伙人1命令下達(dá)后笙各，管理人員a在辭退了員工后钉答，他就知道這個(gè)員工被開除了。而合伙人2的管理人員2這時(shí)候在沒得到消息之前杈抢，還認(rèn)為員工a是在職的数尿，他就欣然的接收了合伙人給他的升職a的命令。
1.2 處理器優(yōu)化和指令重排
上面提到在CPU和主存之間增加緩存惶楼，在多線程場景下會(huì)存在緩存一致性問題右蹦。除了這種情況诊杆，還有一種硬件問題也比較重要。那就是為了使處理器內(nèi)部的運(yùn)算單元能夠盡量的被充分利用何陆，處理器可能會(huì)對輸入代碼進(jìn)行亂序執(zhí)行處理晨汹。這就是處理器優(yōu)化。
除了現(xiàn)在很多流行的處理器會(huì)對代碼進(jìn)行優(yōu)化亂序處理贷盲，很多編程語言的編譯器也會(huì)有類似的優(yōu)化淘这，比如：Java虛擬機(jī)的即時(shí)編譯器（JIT）也會(huì)做指令重排。
可想而知巩剖，如果任由處理器優(yōu)化和編譯器對指令重排的話铝穷，就可能導(dǎo)致各種各樣的問題。
關(guān)于員工組織調(diào)整的情況佳魔，如果允許人事部在接到多個(gè)命令后進(jìn)行隨意拆分亂序執(zhí)行或者重排的話曙聂，那么對于這個(gè)員工以及這家公司的影響是非常大的。
1.3 并發(fā)編程的問題
前面說的和硬件有關(guān)的概念你可能聽得有點(diǎn)蒙鞠鲜，還不知道他到底和軟件有啥關(guān)系宁脊。但是關(guān)于并發(fā)編程的問題你應(yīng)該有所了解，比如：原子性問題贤姆，可見性問題和有序性問題榆苞。
其實(shí)，原子性問題庐氮，可見性問題和有序性問題语稠，是人們抽象定義出來的宋彼。而這個(gè)抽象的底層問題就是前面提到的緩存一致性問題弄砍、處理器優(yōu)化問題和指令重排問題等。緩存一致性問題其實(shí)就是可見性問題输涕。而處理器優(yōu)化是可以導(dǎo)致原子性問題的音婶。指令重排即會(huì)導(dǎo)致有序性問題。
原子性是指在一個(gè)操作中就是CPU不可以在中途暫停然后再調(diào)度莱坎，既不被中斷操作衣式，要不執(zhí)行完成，要不就不執(zhí)行檐什。
可見性是指當(dāng)多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量時(shí)碴卧，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值乃正。
有序性是指程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行住册。
2 什么是內(nèi)存模型
前面提到的，緩存一致性問題瓮具、處理器器優(yōu)化的指令重排問題是硬件的不斷升級導(dǎo)致的荧飞。那么凡人，有沒有什么機(jī)制可以很好的解決上面的這些問題呢？
最簡單直接的做法就是廢除處理器和處理器的優(yōu)化技術(shù)叹阔、廢除CPU緩存挠轴，讓CPU直接和主存交互。但是耳幢，這么做雖然可以保證多線程下的并發(fā)問題岸晦。但是，這就有點(diǎn)因噎廢食了帅掘。
所以委煤，為了保證并發(fā)編程中可以滿足原子性、可見性及有序性修档。有一個(gè)重要的概念碧绞，那就是——內(nèi)存模型，定義了共享內(nèi)存系統(tǒng)中多線程程序讀寫操作行為的規(guī)范吱窝。
通過這些規(guī)則來規(guī)范對內(nèi)存的讀寫操作讥邻，從而保證指令執(zhí)行的正確性。它與處理器有關(guān)院峡、與緩存有關(guān)兴使、與并發(fā)有關(guān)、與編譯器也有關(guān)照激。它解決了CPU多級緩存发魄、處理器優(yōu)化、指令重排等導(dǎo)致的內(nèi)存訪問問題俩垃，保證了并發(fā)場景下的一致性励幼、原子性和有序性。
內(nèi)存模型解決并發(fā)問題主要采用兩種方式：限制處理器優(yōu)化和使用內(nèi)存屏障口柳。
3 什么是Java內(nèi)存模型
前面介紹過了計(jì)算機(jī)內(nèi)存模型苹粟，這是解決多線程場景下并發(fā)問題的一個(gè)重要規(guī)范。那么具體的實(shí)現(xiàn)是如何的呢跃闹，不同的編程語言嵌削，在實(shí)現(xiàn)上可能有所不同。
我們知道望艺，Java程序是需要運(yùn)行在Java虛擬機(jī)上面的苛秕，Java內(nèi)存模型（Java Memory Model ,JMM）就是一種符合內(nèi)存模型規(guī)范的，屏蔽了各種硬件和操作系統(tǒng)的訪問差異的找默，保證了Java程序在各種平臺下對內(nèi)存的訪問都能保證效果一致的機(jī)制及規(guī)范艇劫。
Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲在主內(nèi)存中，每條線程還有自己的工作內(nèi)存啡莉，線程的工作內(nèi)存中保存了該線程中用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝港准，線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行旨剥，而不能直接讀寫主內(nèi)存。不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量浅缸，線程間變量的傳遞均需要自己的工作內(nèi)存和主存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步進(jìn)行轨帜。
而JMM就作用于工作內(nèi)存和主存之間數(shù)據(jù)同步過程。他規(guī)定了如何做數(shù)據(jù)同步以及什么時(shí)候做數(shù)據(jù)同步衩椒。
特別需要注意的是蚌父，主內(nèi)存和工作內(nèi)存與JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)中的Java堆、棧毛萌、方法區(qū)等并不是同一個(gè)層次的內(nèi)存劃分苟弛，無法直接類比。
再來總結(jié)下阁将，JMM是一種規(guī)范膏秫，規(guī)范了Java虛擬機(jī)與計(jì)算機(jī)內(nèi)存是如何協(xié)同工作的，目的是解決由于多線程通過共享內(nèi)存進(jìn)行通信時(shí)做盅，存在的本地內(nèi)存數(shù)據(jù)不一致缤削、編譯器會(huì)對代碼指令重排序、處理器會(huì)對代碼亂序執(zhí)行等帶來的問題吹榴。目的是保證并發(fā)編程場景中的原子性亭敢、可見性和有序性。
所以图筹，如果你想設(shè)計(jì)表現(xiàn)良好的并發(fā)程序帅刀，理解Java內(nèi)存模型是非常重要的。Java內(nèi)存模型規(guī)定了如何和何時(shí)可以看到由其他線程修改過后的共享變量的值远剩，以及在必須時(shí)如何同步的訪問共享變量扣溺。
3.1 Java內(nèi)存模型抽象
在Java中，所有實(shí)例域民宿、靜態(tài)域和數(shù)組元素存儲在堆內(nèi)存中娇妓，堆內(nèi)存在線程之間共享像鸡。局部變量（Local variables）活鹰，方法定義參數(shù)（formal method parameters）和異常處理器參數(shù)（exception handler parameters）不會(huì)在線程之間共享，它們不會(huì)有內(nèi)存可見性問題只估，也不受內(nèi)存模型的影響志群。
Java線程之間的通信由Java內(nèi)存模型（JMM）控制，JMM決定一個(gè)線程對共享變量的寫入何時(shí)對另一個(gè)線程可見蛔钙。從抽象的角度來看锌云，JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：
線程之間的共享變量存儲在主內(nèi)存（main memory）中，每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存（local memory）吁脱，本地內(nèi)存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本桑涎。本地內(nèi)存是JMM的一個(gè)抽象概念彬向，并不真實(shí)存在。它涵蓋了緩存攻冷，寫緩沖區(qū)娃胆，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。
從上圖來看等曼，線程A與線程B之間如要通信的話里烦，必須要經(jīng)歷下面2個(gè)步驟：
首先，線程A把本地內(nèi)存A中更新過的共享變量刷新到主內(nèi)存中去；
然后，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疼约；
下面通過示意圖來說明這兩個(gè)步驟：
如上圖所示寸五，本地內(nèi)存A和B有主內(nèi)存中共享變量x的副本。假設(shè)初始時(shí)乾蛤，這三個(gè)內(nèi)存中的x值都為0。線程A在執(zhí)行時(shí)，把更新后的x值（假設(shè)值為1）臨時(shí)存放在自己的本地內(nèi)存A中触趴。當(dāng)線程A和線程B需要通信時(shí)，線程A首先會(huì)把自己本地內(nèi)存中修改后的x值刷新到主內(nèi)存中渴肉，此時(shí)主內(nèi)存中的x值變?yōu)榱?冗懦。隨后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A更新后的x值仇祭，此時(shí)線程B的本地內(nèi)存的x值也變?yōu)榱?披蕉。
從整體來看，這兩個(gè)步驟實(shí)質(zhì)上是線程A在向線程B發(fā)送消息乌奇，而且這個(gè)通信過程必須要經(jīng)過主內(nèi)存没讲。JMM通過控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互，來為Java程序員提供內(nèi)存可見性保證礁苗。
3.2 重排序
在執(zhí)行程序時(shí)為了提高性能爬凑，編譯器和處理器常常會(huì)對指令做重排序。重排序分三種類型：
1.編譯器優(yōu)化的重排序试伙。編譯器在不改變單線程程序語義的前提下嘁信，可以重新安排語句的執(zhí)行順序。
2.指令級并行的重排序∈柽叮現(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術(shù)（Instruction-Level Parallelism潘靖， ILP）來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性蚤蔓，處理器可以改變語句對應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序卦溢。
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)，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執(zhí)行单寂。
從Java源代碼到最終實(shí)際執(zhí)行的指令序列贬芥，會(huì)分別經(jīng)歷下面三種重排序：
上述的1屬于編譯器重排序，2和3屬于處理器重排序宣决。這些重排序都可能會(huì)導(dǎo)致多線程程序出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題誓军。
對于編譯器，JMM的編譯器重排序規(guī)則會(huì)禁止特定類型的編譯器重排序（不是所有的編譯器重排序都要禁止）疲扎。
對于處理器重排序昵时，JMM的處理器重排序規(guī)則會(huì)要求Java編譯器在生成指令序列時(shí)，插入特定類型的內(nèi)存屏障（memory barriers椒丧，intel稱之為memory fence）指令壹甥，通過內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序（不是所有的處理器重排序都要禁止）。
JMM屬于語言級的內(nèi)存模型壶熏，它確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺之上句柠，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)存可見性保證棒假。
3.3 處理器重排序
現(xiàn)代的處理器使用寫緩沖區(qū)來臨時(shí)保存向內(nèi)存寫入的數(shù)據(jù)溯职。寫緩沖區(qū)可以保證指令流水線持續(xù)運(yùn)行，它可以避免由于處理器停頓下來等待向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的延遲帽哑。同時(shí)谜酒，通過以批處理的方式刷新寫緩沖區(qū)，以及合并寫緩沖區(qū)中對同一內(nèi)存地址的多次寫妻枕，可以減少對內(nèi)存總線的占用僻族。雖然寫緩沖區(qū)有這么多好處，但每個(gè)處理器上的寫緩沖區(qū)屡谐，僅僅對它所在的處理器可見述么。這個(gè)特性會(huì)對內(nèi)存操作的執(zhí)行順序產(chǎn)生重要的影響：
處理器對內(nèi)存的讀/寫操作的執(zhí)行順序，不一定與內(nèi)存實(shí)際發(fā)生的讀/寫操作順序一致愕掏！
假設(shè)處理器A和處理器B按程序的順序并行執(zhí)行內(nèi)存訪問度秘，最終卻可能得到 x = y = 0。具體的原因如下圖所示
處理器 A 和 B 同時(shí)把共享變量寫入在寫緩沖區(qū)中（A1饵撑、B1）剑梳，然后再從內(nèi)存中讀取另一個(gè)共享變量（A2、B2）肄梨，最后才把自己寫緩沖區(qū)中保存的臟數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中（A3阻荒、B3）挠锥。當(dāng)以這種時(shí)序執(zhí)行時(shí)众羡，程序就可以得到 x = y = 0 的結(jié)果。
從內(nèi)存操作實(shí)際發(fā)生的順序來看蓖租，直到處理器 A 執(zhí)行 A3 來刷新自己的寫緩存區(qū)粱侣，寫操作 A1 才算真正執(zhí)行了羊壹。雖然處理器 A 執(zhí)行內(nèi)存操作的順序?yàn)椋篈1 -> A2，但內(nèi)存操作實(shí)際發(fā)生的順序卻是：A2 -> A1齐婴。此時(shí)油猫，處理器 A 的內(nèi)存操作順序被重排序了。
這里的關(guān)鍵是柠偶，由于寫緩沖區(qū)僅對自己的處理器可見情妖，它會(huì)導(dǎo)致處理器執(zhí)行內(nèi)存操作的順序可能會(huì)與內(nèi)存實(shí)際的操作執(zhí)行順序不一致。由于現(xiàn)代的處理器都會(huì)使用寫緩沖區(qū)诱担，因此現(xiàn)代的處理器都會(huì)允許對內(nèi)存寫-讀操作重排序毡证。
3.4 內(nèi)存屏障指令
下面是常見處理器允許的重排序類型的列表：
上表單元格中的“N”表示處理器不允許兩個(gè)操作重排序，“Y”表示允許重排序蔫仙。從上表我們可以看出：常見的處理器都允許Store-Load重排序料睛；常見的處理器都不允許對存在數(shù)據(jù)依賴的操作做重排序。sparc-TSO和x86擁有相對較強(qiáng)的處理器內(nèi)存模型摇邦，它們僅允許對寫-讀操作做重排序（因?yàn)樗鼈兌际褂昧藢懢彌_區(qū)）恤煞。
為了保證內(nèi)存可見性，Java 編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會(huì)插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序施籍。JMM 把內(nèi)存屏障指令分為下列四類：
3.5 happens-before
JSR-133 內(nèi)存模型使用happens-before的概念來闡述操作之間的內(nèi)存可見性居扒。在 JMM 中，如果一個(gè)操作執(zhí)行的結(jié)果需要對另一個(gè)操作可見丑慎，那么這兩個(gè)操作之間必須要存在 happens-before 關(guān)系苔货。這里提到的兩個(gè)操作既可以是在一個(gè)線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間立哑。
與程序員密切相關(guān)的 happens-before 規(guī)則如下：
程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作夜惭，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(gè)監(jiān)視器鎖的解鎖铛绰，happens- before 于隨后對這個(gè)監(jiān)視器鎖的加鎖诈茧。
volatile變量規(guī)則：對一個(gè)volatile域的寫，happens- before 于任意后續(xù)對這個(gè)volatile域的讀捂掰。
傳遞性規(guī)則：如果A happens- before B敢会，且B happens- before C，那么A happens- before C这嚣。
注意鸥昏，兩個(gè)操作之間具有happens-before關(guān)系，并不意味著前一個(gè)操作必須要在后一個(gè)操作之前執(zhí)行姐帚！happens-before僅僅要求前一個(gè)操作（執(zhí)行的結(jié)果）對后一個(gè)操作可見吏垮，且前一個(gè)操作按順序排在第二個(gè)操作之前（the first is visible to and ordered before the second）。
如上圖所示，一個(gè)happens-before規(guī)則通常對應(yīng)于多個(gè)編譯器和處理器重排序規(guī)則膳汪。對于Java程序員來說唯蝶，happens-before規(guī)則簡單易懂，它避免java程序員為了理解JMM提供的內(nèi)存可見性保證而去學(xué)習(xí)復(fù)雜的重排序規(guī)則以及這些規(guī)則的具體實(shí)現(xiàn)遗嗽。
3.6 數(shù)據(jù)依賴性
如果兩個(gè)操作訪問同一個(gè)變量粘我，且這兩個(gè)操作中有一個(gè)為寫操作，此時(shí)這兩個(gè)操作之間就存在數(shù)據(jù)依賴性痹换。數(shù)據(jù)依賴分下列三種類型：
上面三種情況征字，只要重排序兩個(gè)操作的執(zhí)行順序，程序的執(zhí)行結(jié)果將會(huì)被改變娇豫。
前面提到過柔纵，編譯器和處理器可能會(huì)對操作做重排序。編譯器和處理器在重排序時(shí)锤躁，會(huì)遵守?cái)?shù)據(jù)依賴性搁料，編譯器和處理器不會(huì)改變存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的兩個(gè)操作的執(zhí)行順序。
注意系羞，這里所說的數(shù)據(jù)依賴性僅針對單個(gè)處理器中執(zhí)行的指令序列和單個(gè)線程中執(zhí)行的操作郭计，不同處理器之間和不同線程之間的數(shù)據(jù)依賴性不被編譯器和處理器考慮。
3.7 as-if-serial 語義
as-if-serial 語義的意思指：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度）椒振，（單線程）程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變昭伸。編譯器，runtime 和處理器都必須遵守 as-if-serial 語義澎迎。
為了遵守 as-if-serial 編譯器和處理器不會(huì)對存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作做重排序庐杨，因?yàn)檫@種重排序會(huì)改變執(zhí)行結(jié)果。但是如果操作之間沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系夹供，這些操作就可能被編譯器和處理器重排序灵份。
舉個(gè)例子：
上面三個(gè)操作的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系如下圖所示：
如上圖所示，A 和 C 之間存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系哮洽，同時(shí) B 和 C 之間也存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系填渠。因此在最終執(zhí)行的指令序列中，C 不能被重排序到 A 和 B 的前面（C 排到 A 和 B 的前面鸟辅，程序的結(jié)果將會(huì)被改變）氛什。但 A 和 B 之間沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可以重排序 A 和 B 之間的執(zhí)行順序匪凉。下圖是該程序的兩種可能執(zhí)行順序：
在計(jì)算機(jī)中枪眉，軟件技術(shù)和硬件技術(shù)有一個(gè)共同的目標(biāo)：在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能的開發(fā)并行度再层。編譯器和處理器遵從這一目標(biāo)贸铜，從happens-before的定義我們可以看出堡纬，JMM 同樣遵從這一目標(biāo)。
4 Java內(nèi)存模型實(shí)現(xiàn)
了解Java多線程的朋友都知道萨脑，在Java中提供了一系列和并發(fā)處理相關(guān)的關(guān)鍵字隐轩，比如：volatile饺饭、synchronized渤早、final、concurrent包等瘫俊。其實(shí)這些就是Java內(nèi)存模型封裝了底層的實(shí)現(xiàn)后提供給程序員使用的一些關(guān)鍵字鹊杖。
在開發(fā)多線程的代碼的時(shí)候，我們可以直接使用synchronized等關(guān)鍵字來控制并發(fā)扛芽，從來就不需要關(guān)心底層的編譯器優(yōu)化骂蓖、緩存一致性等問題。所以川尖，Java內(nèi)存模型登下，除了定義了一套規(guī)范，還提供了一系列原語叮喳，封裝了底層實(shí)現(xiàn)后被芳，供開發(fā)者直接使用。
4.1 原子性
在Java中馍悟，為了保證原子性畔濒，提供了兩個(gè)高級的字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit，這兩個(gè)字節(jié)碼锣咒，在Java中對應(yīng)的關(guān)鍵字就是synchronized侵状。
因此，在Java中可以使用synchronized來保證方法和代碼塊內(nèi)的操作是原子性的毅整。
4.2 可見性
Java內(nèi)存模型是通過在變量修改后將新值同步回主內(nèi)存趣兄，在變量讀取前從主內(nèi)存刷新變量值的這種依賴主內(nèi)存作為傳遞媒介的方式來實(shí)現(xiàn)的。
Java中的volatile關(guān)鍵字提供了一個(gè)功能悼嫉，那就是被其修飾的變量在被修改后可以立即同步到主內(nèi)存诽俯，被其修飾的變量在每次是用之前都從主內(nèi)存刷新。因此承粤，可以使用volatile來保證多線程操作時(shí)變量的可見性暴区。
除了volatile，Java中的synchronized和final兩個(gè)關(guān)鍵字也可以實(shí)現(xiàn)可見性辛臊。只不過實(shí)現(xiàn)方式不同仙粱，這里不再展開了。
4.3 有序性
在Java中彻舰，可以使用synchronized和volatile來保證多線程之間操作的有序性伐割。實(shí)現(xiàn)方式有所區(qū)別：
volatile關(guān)鍵字會(huì)禁止指令重排候味；
synchronized關(guān)鍵字保證同一時(shí)刻只允許一條線程操作；
