1、內(nèi)存模型基礎(chǔ)
在并發(fā)編程中，需要處理兩個關(guān)鍵問題：線程之間如何通信及線程之間如何同步。通信是指線程之間以何種機制來交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機制有兩種：共享內(nèi)存和消息傳遞。
在共享內(nèi)存的并發(fā)模型里，線程之間共享程序的公共狀態(tài)，通過寫-讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)進行隱式通信。在消息傳遞的并發(fā)模型里，線程之間沒有公共狀態(tài)，線程之間必須通過發(fā)送消息來顯式進行通信。
同步是指程序中用于控制不同線程間操作發(fā)生相對順序的機制。在共享內(nèi)存并發(fā)模型里，同步是顯式進行的。程序員必須顯式指定某個方法或某段代碼需要在線程之間互斥執(zhí)行。在消息傳遞的并發(fā)模型里，由于消息的發(fā)送必須在消息的接收之前，因此同步是隱式進行的。
Java的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型，Java線程之間的通信總是隱式進行，整個通信過程對程序員完全透明。如果編寫多線程程序的Java程序員不理解隱式進行的線程之間通信的工作機制，很可能會遇到各種奇怪的內(nèi)存可見性問題。
1.1、內(nèi)存模型抽象結(jié)構(gòu)
在Java中，所有實例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素都存儲在堆內(nèi)存中，堆內(nèi)存在線程之間共享（本章用“共享變量”這個術(shù)語代指實例域，靜態(tài)域和數(shù)組元素）。局部變量（Local Variables），方法定義參數(shù)（Java語言規(guī)范稱之為Formal Method Parameters）和異常處理器參數(shù)（Exception Handler Parameters）不會在線程之間共享，它們不會有內(nèi)存可見性問題，也不受內(nèi)存模型的影響。
從抽象的角度來看，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，每個線程都有一個私有的本地內(nèi)存（Local Memory），本地內(nèi)存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本。本地內(nèi)存是JMM的一個抽象概念，并不真實存在。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。
如果線程A與線程B之間要通信的話，必須要經(jīng)歷下面2個步驟：
- 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。
- 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。
從整體來看，這兩個步驟實質(zhì)上是線程A在向線程B發(fā)送消息，而且這個通信過程必須要經(jīng)過主內(nèi)存。JMM通過控制主內(nèi)存與每個線程的本地內(nèi)存之間的交互，來為Java程序員提供內(nèi)存可見性保證。
2、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。重排序分3種類型。
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，可以重新安排語句的執(zhí)行順序。
指令級并行的重排序?，F(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術(shù)（Instruction-LevelParallelism，ILP）來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應(yīng)機器指令的執(zhí)行順序。
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。
從Java源代碼到最終實際執(zhí)行的指令序列，會分別經(jīng)歷下面3種重排序：
這些重排序可能會導(dǎo)致多線程程序出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題。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（不是所有的編譯器重排序都要禁止）。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，Intel稱之為Memory Fence）指令，通過內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。
JMM屬于語言級的內(nèi)存模型，它確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺之上，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。
as-if-serial語義的意思是：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度），（單線程）
程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。編譯器、runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語義。
為了遵守as-if-serial語義，編譯器和處理器不會對存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作做重排序，因為這種重排序會改變執(zhí)行結(jié)果。但是，如果操作之間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，這些操作就可能被編譯器和處理器重排序。
as-if-serial語義把單線程程序保護了起來，遵守as-if-serial語義的編譯器、runtime和處理器共同為編寫單線程程序的程序員創(chuàng)建了一個幻覺：單線程程序是按程序的順序來執(zhí)行的。asif-serial語義使單線程程序員無需擔(dān)心重排序會干擾他們，也無需擔(dān)心內(nèi)存可見性問題。
3、順序一致性
JMM對正確同步的多線程程序的內(nèi)存一致性做了如下保證：
如果程序是正確同步的，程序的執(zhí)行將具有順序一致性（Sequentially Consistent）——即程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果相同。馬上我們就會看到，這對于程序員來說是一個極強的保證。這里的同步是指廣義上的同步，包括對常用同步原語（synchronized、volatile和final）的正確使用。
3.1、順序一致性內(nèi)存模型
順序一致性內(nèi)存模型是一個被計算機科學(xué)家理想化了的理論參考模型，它為程序員提供了極強的內(nèi)存可見性保證。順序一致性內(nèi)存模型有兩大特性：
- 一個線程中的所有操作必須按照程序的順序來執(zhí)行。
- （不管程序是否同步）所有線程都只能看到一個單一的操作執(zhí)行順序。在順序一致性內(nèi)存模型中，每個操作都必須原子執(zhí)行且立刻對所有線程可見。
順序一致性內(nèi)存模型為程序員提供的視圖：
在概念上，順序一致性模型有一個單一的全局內(nèi)存，這個內(nèi)存通過一個左右擺動的開關(guān)可以連接到任意一個線程，同時每一個線程必須按照程序的順序來執(zhí)行內(nèi)存讀/寫操作。從上面的示意圖可以看出，在任意時間點最多只能有一個線程可以連接到內(nèi)存。當(dāng)多個線程并發(fā)執(zhí)行時，圖中的開關(guān)裝置能把所有線程的所有內(nèi)存讀/寫操作串行化（即在順序一致性模型中，所有操作之間具有全序關(guān)系）。
未同步程序在順序一致性模型中雖然整體執(zhí)行順序是無序的，但所有線程都只能看到一個一致的整體執(zhí)行順序。但是，在JMM中就沒有這個保證。未同步程序在JMM中不但整體的執(zhí)行順序是無序的，而且所有線程看到的操作執(zhí)行順序也可能不一致。比如，在當(dāng)前線程把寫過的數(shù)據(jù)緩存在本地內(nèi)存中，在沒有刷新到主內(nèi)存之前，這個寫操作僅對當(dāng)前線程可見；從其他線程的角度來觀察，會認為這個寫操作根本沒有被當(dāng)前線程執(zhí)行。只有當(dāng)前線程把本地內(nèi)存中寫過的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存之后，這個寫操作才能對其他線程可見。在這種情況下，當(dāng)前線程和其他線程看到的操作執(zhí)行順序?qū)⒉灰恢隆?/p>
