文章目录
- Java内存模型的基础
- 并发编程模型的两个关键问题
- 通信
- 同步
- Java内存模型的抽象结构
- 并发编程模型的分类
- happens-before简介
Java内存模型的基础
并发编程模型的两个关键问题
在并发编程中，需要处理两个关键问题：线程之间如何通信以及线程之间如何同步。
通信
线程之间以何种机制来交换信息。在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种：共享内存和消息传递。
在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，通过写-读内存中的公共状态进行隐式通信。在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过发送消息来显式进行通信。
同步
程序中用于控制不同线程间操作发生相对顺序的机制。在共享内存并发模型里，同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行。在消息传递的并发模型里，由于消息的发送必须在消息的接收之前，因此同步是隐式进行的。
Java的并发采用的是共享内存模型，Java线程之间的通信总是隐式进行，整个通信过程对程序员完全透明。
Java内存模型的抽象结构
在Java中，所有实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存（共享变量）中，堆内存在线程之间共享（后文将用“共享变量”这个术语代指实例域，静态域和数组元素）。局部变量、方法定义参数和异常处理器参数不会在线程之间共享，它们不会有内存可见性问题，也不受内存模型的影响。
Java线程之间的通信Java内存模型（后文简称为JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。线程之间的共享变量存储在主内存中，每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。
Java内存模型的抽象示意如下图所示：
如上图所示，如果线程A与线程B之间要通信的话，必须要经历下面2个步骤
- 线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
- 线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。
通过下图示意图来说明这两个步骤：
本地内存A和本地内存B由主内存中共享变量x的副本。假设初始时，这三个内存中的x值都是0。线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中，此时主内存中的x值变为了1。随后，线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1。
JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为Java程序员提供内存可见性保证。
并发编程模型的分类
现代的处理器使用写缓冲区临时保存向内存写入的数据。写缓冲区可以保证指令流水线持续运行，它可以避免由于处理器停顿下来等待向内存写入数据而产生的延迟。同时，通过以批处理的方式刷新写缓冲区，以及合并写缓冲区中对同一内存地址的多次写，减少对内存总线的占用。
虽然写缓冲区有这么多好处，但每个处理器上的写缓冲区，仅仅对它所在的处理器可见。这个特性会对内存操作的执行顺序产生重要的影响：处理器对内存的读/写操作的执行顺序，不一定与内存实际发生的读/写顺序一致。
为了具体说明，请看下表
| Process A | Process B |
|---|---|
| a = 1; // A1 x = b; //A2 | b = 2; //B1 y = a; //B2 |
初始状态：a = b = 0;。处理器允许执行后得到结果：x = y = 0;
假设处理器A和处理器B按程序的顺序并行执行内存访问，最终可能得到x = y = 0的结果。具体原因如下所示：
这里处理器A和处理器B可以同时把共享变量写入自己的写缓冲区（A1,B1），然后从内存中读取另一个共享变量（A2,B2），最后才把自己写缓存区中保存的脏数据刷新到内存中（A3,B3）。
为了保存内存可见性，Java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。
| 屏障类型 | 指令示例 | 说明 |
|---|---|---|
| LoadLoad Barries | Load1; LoadLoad; Load2 | 确保Load1数据的装载先于Load2及所有后续装载指令的装载。 |
| StoreStore Barries | Store1; StoreStore; Store2 | 确保Store1数据对其他处理器可见（刷新到内存）先于Store2及所有后续存储指令的存储。 |
| LoadStore Barries | Load1; LoadStore; Store2 | 确保Load1数据装载先于Store2及所有后续的存储指令刷新到内存。 |
| StoreLoad Barries | Store1; StoreLoad; Load2 | 确保Store1数据对其他处理器变得可见（刷新到内存）先于Load2及所有后续装载指令的装载。 |
happens-before简介
与程序员密切相关的happens-before规则如下;
- 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。
- 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。
- volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。
- 传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。
