• 并发编程中需要处理的两个重要问题是线程之间如何通信以及线程之间如何同步，Java的并发采用的是共享内存模型，且线程之间的通信总是隐式执行，所以需要我们深入学习从而避免复杂的内存可见性问题

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中，堆内存在线程之间共享，这些数据受到内存模型的影响
• Java线程之间的通信受到内存模型(JMM)控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入另一个线程何时可见
• 从抽象的角度看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：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（这是一个抽象概念，实际不存在），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本
  
• 如上图，如果A要和B进行线程通信，首先线程A要把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中，然后线程B再到主内存中读取已更新过的共享变量

指令重排序

• 编译器优化的重排序：编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序
• 指令集并行的重排序：现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序
• 内存系统的重排序：由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，使得加载和存储操作可能看上去可能是在乱序执行

上述后两个属于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序

load和store是两种原子操作(JVM一共规定了8种，可以了解一下)，分别表示将工作内存中的变量刷新到副本中和将工作内存中的变量的值传到主内存中，有$storestore,storeload,loadstore,loadload$四种内存屏障，其中$storeload$是一个全能型屏障，一般的多处理器都支持这个屏障，它的含义是在这个内存屏障之前的store和之后的load指令不能重排序

happens-before

• 如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在$happens-before$关系

与程序员密切相关的重要规则如下

1. 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
2. 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
3. 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
4. 传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C
5. start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()，那么A线程中的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作
6. join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从TheadB.join()操作成功返回

注意这个规则仅仅要求前一个操作对后一个操作可见，没有执行上的先后顺序

数据依赖性

• 如果两个操作之间存在数据依赖，那么指令重排不会改变这个两个操作之间的排列顺序

as-if-serial

• 意思是不管怎么排序，程序的执行结果不能被改变

volatile的内存语义

• 线程A写一个volatile变量，实质上是A向接下来将要读这个volatile变量的某个线程发出了作出修改的消息
• 线程B读一个volatile变量，实质上是B接收了之前某个线程发出的修改消息
• 线程A写后线程B读一个volatile变量实质上是A通过主内存向B发送消息

实现

• JMM采用保守策略，注意只要是它加的就没有多余的
• 在一个$volatile$写操作前面加一个$storestore$屏障；在后面加一个$storeload$屏障
• 在一个$volatile$读操作后面加一个$loadload$屏障，这个主要是防止$volatile$读和普通读指令重排，注意volatile读的时候会刷新本地内存的所有共享变量；在后面加一个$loadstore$屏障

锁释放和获取的内存语义和$volatile$的写和读有相同的内存语义

final域的内存语义

final域的重排序规则

我们知道，新版本的Java的final对象是线程安全的，那么它是如何实现的呢？主要是应用到了写和读final域的重排序规则，具体如下

• 写final域的重排序规则：在构造函数内对一个final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。这可以保证对象引用为任意线程可见之前，final域已经被正确初始化过了
• 读final域的重排序规则：初次读一个包含final域的对象的引用与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序，这主要是保证final域一定会被初始化，只要引用不为null，则final域一定被初始化了

final域语义的处理器实现

• 写final域的重排序规则要求编译器在final域的写之后，构造函数return之前插入一个$storestore$屏障
• 读final域的重排序规则要求编译器在final域的读前面插入一个$loadload$屏障

由于x86处理器的性质，在这个处理器中，final域读写不会插入任何内存屏障