在上篇《單例，真了解嗎？》中，提及到了重排序、volatile等概念，有的同學(xué)還沒接觸過這些，那么此篇就簡單介紹一下它們。

JMM

java中，所有實例域、靜態(tài)域、數(shù)組元素都存儲在堆中，堆可被多個線程共享。在多線程環(huán)境下，線程之間是如何通信和實現(xiàn)這些共享數(shù)據(jù)的同步？java的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型。
JMM(Java Memory Model)，Java內(nèi)存模型,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。JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系，多個線程的共享數(shù)據(jù)存在主內(nèi)存中，但是每個線程擁有自己的本地內(nèi)存，本地內(nèi)存中存儲的是該線程從主內(nèi)存那里讀取共享變量的副本（注意：本地內(nèi)存是個抽象概念，不存在的），下圖是JMM的抽象結(jié)構(gòu)示意圖：

JMM抽象結(jié)構(gòu)示意圖

從圖來看，如果線程A要和線程B通信的話，需要兩步：
①線程A把本地內(nèi)存A中的更新過的共享變量刷新到主內(nèi)存中；
②線程B再從主內(nèi)存中讀取線程A之前已更新過的共享變量。

happens-before

在JMM中，如果一個操作執(zhí)行的結(jié)果需要對另一個操作可見，那么這兩個操作之間就必須存在happens-before關(guān)系，當(dāng)然兩個操作可能屬于同一線程，也有可能屬于不同的線程。

happens-before規(guī)則：
1、程序次序規(guī)則：在一個單獨的線程中，按照程序代碼的執(zhí)行流順序，（時間上）先執(zhí)行的操作happens-before（時間上）后執(zhí)行的操作。
2、管理鎖定規(guī)則：一個unlock操作happens-before后面（時間上的先后順序，下同）對同一個鎖的lock操作。
3、volatile變量規(guī)則：對一個volatile變量的寫操作happens-before后面對該變量的讀操作。
4、傳遞性：如果操作A happens-before操作B，操作B happens-before操作C，那么可以得出A happens-before操作C。

注意：兩個操作之間具有happens-before關(guān)系，并不意味前一個操作必須要在后一個操作之前執(zhí)行！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，且前一個操作按順序排在后一個操作之前。

重排序

重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對指令序列進行重新排序的一種方式。

數(shù)據(jù)依賴性

如果兩個操作訪問同一個變量，一個操作為寫操作，另一個是讀操作，那這兩個操作就存在數(shù)據(jù)依賴性。

//寫a
int a = 1;
//讀a
int b = a;

編譯器和處理器是不會對存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的兩個操作做重排序的。（這里的數(shù)據(jù)依賴性僅針對單個處理器單線程中的操作，不同處理器不同線程間的數(shù)據(jù)依賴性不被編譯器和處理器考慮）

as-if-serial

as-if-serial的意思是，不管怎么重排序，單線程程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。編譯器和處理器都必須遵守as-if-serial語義。

//寫a
int a = 1;  //A
//寫b
int b = 1;  //B
//寫c
int c = a + b;  //C

比如上面的這個例子，A和B之間沒有數(shù)據(jù)依賴性，A和C、B和C存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，所以C不允許重排序到A和B前面（一旦排到A或B前面，執(zhí)行結(jié)果必定發(fā)生改變），A和B之間愛怎么排怎么排，對于執(zhí)行結(jié)果并無影響。

重排序?qū)Χ嗑€程的影響

public class Test8 {
    int a = 0;
    boolean flag = false;
    
    public void writer(){
        a = 1; //A
        flag = true; //B
    }
    
    public void reader(){
        if(flag){  //C
            int i = a * a; //D
        }
    }
}

假如有兩個線程E和F，E先執(zhí)行writer()方法，然后F執(zhí)行reader()方法。最終線程F執(zhí)行完會得到始終一直的i嗎?是不行的。因為操作A和操作B沒有數(shù)據(jù)依賴性，A和B可能發(fā)生重排序，操作C和操作D也沒有數(shù)據(jù)依賴性，C和D也可能發(fā)生重排序。假設(shè)操作A和B發(fā)生了重排序，會怎樣？
程序時序圖如下：

程序執(zhí)行時序圖

當(dāng)操作A和操作B發(fā)生重排序，線程E首先標(biāo)記變量flag,隨后線程F讀flag,flag為真再讀取a。此時，變量a并未被線程E寫入，多線程語義就被重排序破壞掉了。

內(nèi)存屏障

內(nèi)存屏障，又稱內(nèi)存柵欄，是一個CPU指令，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。
2、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。
編譯器和CPU能夠重排序指令，保證最終相同的結(jié)果，嘗試優(yōu)化性能。插入一條Memory Barrier會告訴編譯器和CPU：不管什么指令都不能和這條Memory Barrier指令重排序。
Memory Barrier所做的另外一件事是強制刷出各種CPU cache，如一個 Write-Barrier（寫入屏障）將刷出所有在 Barrier 之前寫入 cache 的數(shù)據(jù)，因此，任何CPU上的線程都能讀取到這些數(shù)據(jù)的最新版本。

volatile

volatile是基于Memory Barrier實現(xiàn)的，可以將volatile簡單看作是一個輕量級鎖。

public class Test8 {
    //使用volatile修飾vl
    volatile  long vl = 0L;

    public long getVl() {
        return vl;
    }

    public void setVl(long vl) {
        this.vl = vl;
    }

    public void getAndIncrement(){
        vl++;
    }
}

假如有多個線程分別調(diào)用上面程序的三個方法，程序在語義上和下面程序等價。

public class Test8 {
    long vl = 0L;

    public synchronized long getVl() {
        return vl;
    }

    public synchronized void setVl(long vl) {
        this.vl = vl;
    }

    public void getAndIncrement(){
        long temp = getVl();
        temp += 1L;
        setVl(temp);
    }
}

一個volatile變量的單個讀/寫操作，與一個普通變量的讀/寫操作都使用同一個鎖來同步效果一樣。鎖的happens-before規(guī)則保證釋放鎖和獲取鎖的兩個線程間的內(nèi)存可見性，所以對一個volatile變量的讀，總能看到任意線程對這個volatile變量最后的寫入。

簡單來說，volatile擁有以下特性;
①可見性，對一個volatile變量的讀，總能看到任意線程對這個volatile變量最后的寫入。
②不保證原子性，對任意單個volatile變量的讀/寫具有原子性，但對于像volatile++這種復(fù)合操作不具有原子性。

如果一個變量是volatile修飾的，JMM會在寫入這個字段之后插進一個Write-Barrier指令，并在讀這個字段之前插入一個Read-Barrier指令。
當(dāng)寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存中。
當(dāng)讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效，然后再從主內(nèi)存中讀取共享變量。

問題：volatile為什么對復(fù)合操作不保證原子性？
答：拿上面的案例來講，某個時刻變量vl為10，線程1要調(diào)用getAndIncrement(),線程1先讀取vl的原始值，然后線程1被阻塞了；然后線程2也要調(diào)用getAndIncrement(),線程2也會先讀取vl的原始值，由于線程1直對vl進行了讀操作，并未做修改，所以不會線程2本地內(nèi)存中的緩存變量vl失效，不會導(dǎo)致主內(nèi)存的vl刷新，所以線程2讀取的vl還是10，調(diào)用完getAndIncrement()后，把11寫入本地內(nèi)存，再寫入主內(nèi)存。接著，線程1也調(diào)用了getAndIncrement()，由于已經(jīng)讀取了vl，線程1本地內(nèi)存的vl依然為10，自增完后vl變?yōu)閷ο?1，然后將11寫入本地內(nèi)存，最后寫入主內(nèi)存。2個線程一共執(zhí)行了兩次自增操作，但是最后vl是11不是12。

問題：對于volatile不能保證原子性，如何解決？
答：用synchronized或者Lock來加鎖。

問題：volatile和synchronized的區(qū)別有哪些？
答：①volatile只能修飾變量，而synchronized可修飾變量、方法、代碼塊；②volatile在多線程中不存在阻塞問題，synchronized存在阻塞問題；③volatile能保證數(shù)據(jù)的可見性，不能保證數(shù)據(jù)的原子性，synchronized能保證可見性、原子性;④volatile解決的是變量在線程間的可見性，而synchronized解決的是線程之間訪問資源的同步性。

總結(jié)

此篇主要介紹了JMM、happens-before、重排序、內(nèi)存屏障、volatile的一些基本概念及重要性質(zhì)。只有真正理解線程之間的通信機制，才能寫出健壯的并發(fā)程序。
本篇頂多算個基礎(chǔ)介紹，需要深入了解的同學(xué)可以閱讀書籍《并發(fā)編程的藝術(shù)》、《并發(fā)編程實戰(zhàn)》。

略陳固陋，如有不當(dāng)之處，歡迎各位看官批評指正！