知識(shí)圖譜

前言

網(wǎng)上并發(fā)以及JMM部分的內(nèi)容大部分都特別的亂，也不好整理。花了三四天時(shí)間才整理了一篇，有些概念的東西，是需要了解的，也標(biāo)注出來(lái)了。

標(biāo)注：在學(xué)習(xí)中需要修改的內(nèi)容以及筆記全在這里 www.javanode.cn，謝謝！有任何不妥的地方望糾正

并發(fā)編程的優(yōu)缺點(diǎn)

1. 為什么要用到并發(fā)

多核的CPU的背景下，催生了并發(fā)編程的趨勢(shì)，通過(guò)并發(fā)編程的形式可以將多核CPU的計(jì)算能力發(fā)揮到極致，性能得到提升

面對(duì)復(fù)雜業(yè)務(wù)模型，并行程序會(huì)比串行程序更適應(yīng)業(yè)務(wù)需求，而并發(fā)編程更能吻合這種業(yè)務(wù)拆分

2. 并發(fā)編程有哪些缺點(diǎn)

2.1 頻繁的上下文切換

時(shí)間片是CPU分配給各個(gè)線程的時(shí)間，因?yàn)闀r(shí)間非常短，所以CPU不斷通過(guò)切換線程，讓我們覺(jué)得多個(gè)線程是同時(shí)執(zhí)行的，時(shí)間片一般是幾十毫秒。而每次切換時(shí)，需要保存當(dāng)前的狀態(tài)起來(lái)，以便能夠進(jìn)行恢復(fù)先前狀態(tài)，而這個(gè)切換時(shí)非常損耗性能，過(guò)于頻繁反而無(wú)法發(fā)揮出多線程編程的優(yōu)勢(shì)。通常減少上下文切換可以采用無(wú)鎖并發(fā)編程，CAS算法，使用最少的線程和使用協(xié)程。

2.2 線程安全

多線程編程中最難以把握的就是臨界區(qū)線程安全問(wèn)題，稍微不注意就會(huì)出現(xiàn)死鎖的情況，一旦產(chǎn)生死鎖就會(huì)造成系統(tǒng)功能不可用。

public class DeadLockDemo {private static String resource_a = "A";private static String resource_b = "B";public static void main(String[] args) {deadLock();}public static void deadLock() {Thread threadA = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (resource_a) {System.out.println("get resource a");try {Thread.sleep(3000);synchronized (resource_b) {System.out.println("get resource b");}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}});Thread threadB = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (resource_b) {System.out.println("get resource b");synchronized (resource_a) {System.out.println("get resource a");}}}});threadA.start();threadB.start();} }

通常可以用如下方式避免死鎖的情況

避免一個(gè)線程同時(shí)獲得多個(gè)鎖；

避免一個(gè)線程在鎖內(nèi)部占有多個(gè)資源，盡量保證每個(gè)鎖只占用一個(gè)資源

嘗試使用定時(shí)鎖，使用lock.tryLock(timeOut)，當(dāng)超時(shí)等待時(shí)當(dāng)前線程不會(huì)阻塞；

對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)鎖，加鎖和解鎖必須在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)連接里，否則會(huì)出現(xiàn)解鎖失敗的情況

并發(fā)三要素（了解）

可見(jiàn)性: CPU緩存引起

可見(jiàn)性：當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)，如果其中一個(gè)線程對(duì)其作了修改，其他線程能立即獲取到最新的值。

原子性: 分時(shí)復(fù)用引起

原子性：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過(guò)程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行

有序性: 重排序引起

程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。（處理器可能會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序）

在執(zhí)行程序時(shí)為了提高性能，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令做重排序。重排序分三種類型：

• 編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語(yǔ)義的前提下，可以重新安排語(yǔ)句的執(zhí)行順序。
• 指令級(jí)并行的重排序。現(xiàn)代處理器采用了指令級(jí)并行技術(shù)（Instruction-Level Parallelism， ILP）來(lái)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(yǔ)句對(duì)應(yīng)機(jī)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(chǔ)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

并發(fā)核心概念(了解)

并發(fā)與并行(重要)

• 第一種

  • 在單CPU系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)度在某一時(shí)刻只能讓一個(gè)線程運(yùn)行，雖然這種調(diào)試機(jī)制有多種形式(大多數(shù)是時(shí)間片輪巡為主)，但無(wú)論如何，要通過(guò)不斷切換需要運(yùn)行的線程讓其運(yùn)行的方式就叫并發(fā)(concurrent)。

  • 而在多CPU系統(tǒng)中，可以讓兩個(gè)以上的線程同時(shí)運(yùn)行，這種可以同時(shí)讓兩個(gè)以上線程同時(shí)運(yùn)行的方式叫做并行

• 第二種

你吃飯吃到一半，電話來(lái)了，你一直到吃完了以后才去接，這就說(shuō)明你不支持并發(fā)也不支持并行。
你吃飯吃到一半，電話來(lái)了，你停了下來(lái)接了電話，接完后繼續(xù)吃飯，這說(shuō)明你支持并發(fā)。
你吃飯吃到一半，電話來(lái)了，你一邊打電話一邊吃飯，這說(shuō)明你支持并行。

并發(fā)的關(guān)鍵是你有處理多個(gè)任務(wù)的能力，不一定要同時(shí)。
并行的關(guān)鍵是你有同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)的能力。

關(guān)鍵的點(diǎn)就是：是否是『同時(shí)』。

同步(重要)

在并發(fā)中，我們可以將同步定義為一種協(xié)調(diào)兩個(gè)或更多任務(wù)以獲得預(yù)期結(jié)果的機(jī)制。同步的方式有兩種：

• 控制同步：例如，當(dāng)一個(gè)任務(wù)的開(kāi)始依賴于另一個(gè)任務(wù)的結(jié)束時(shí)，第二個(gè)任務(wù)不能在第一個(gè)任務(wù)完成之前開(kāi)始。

• 數(shù)據(jù)訪問(wèn)同步：當(dāng)兩個(gè)或更多任務(wù)訪問(wèn)共享變量時(shí)，在任意時(shí)間里，只有一個(gè)任務(wù)可以訪問(wèn)該變量。

與同步密切相關(guān)的一個(gè)概念是臨界段。臨界段是一段代碼，由于它可以訪問(wèn)共享資源，因此在任何給定時(shí)間內(nèi)，只能被一個(gè)任務(wù)執(zhí)行。互斥是用來(lái)保證這一要求的機(jī)制，而且可以采用不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

并發(fā)系統(tǒng)中有不同的同步機(jī)制。從理論角度看，最流行的機(jī)制如下：

• 信號(hào)量（semaphore）：一種用于控制對(duì)一個(gè)或多個(gè)單位資源進(jìn)行訪問(wèn)的機(jī)制。它有一個(gè)用于存放可用資源數(shù)量的變量，而且可以采用兩種原子操作來(lái)管理該變量。互斥（mutex，mutual exclusion的簡(jiǎn)寫形式）是一種特殊類型的信號(hào)量，它只能取兩個(gè)值（即資源空閑和資源忙），而且只有將互斥設(shè)置為忙的那個(gè)進(jìn)程才可以釋放它。互斥可以通過(guò)保護(hù)臨界段來(lái)幫助你避免出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件。

• 監(jiān)視器：一種在共享資源上實(shí)現(xiàn)互斥的機(jī)制。它有一個(gè)互斥、一個(gè)條件變量、兩種操作（等待條件和通報(bào)條件）。一旦你通報(bào)了該條件，在等待它的任務(wù)中只有一個(gè)會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。如果共享數(shù)據(jù)的所有用戶都受到同步機(jī)制的保護(hù)，那么代碼（或方法、對(duì)象）就是線程安全的。數(shù)據(jù)的非阻塞的CAS（compare-and-swap，比較和交換）原語(yǔ)是不可變的，這樣就可以在并發(fā)應(yīng)用程序中使用該代碼而不會(huì)出任何問(wèn)題。

不可變對(duì)象

不可變對(duì)象是一種非常特殊的對(duì)象。在其初始化后，不能修改其可視狀態(tài)（其屬性值）。如果想修改一個(gè)不可變對(duì)象，那么你就必須創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象。

不可變對(duì)象的主要優(yōu)點(diǎn)在于它是線程安全的。你可以在并發(fā)應(yīng)用程序中使用它而不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題。

不可變對(duì)象的一個(gè)例子就是java中的String類。當(dāng)你給一個(gè)String對(duì)象賦新值時(shí)，會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的String對(duì)象。

原子操作和原子變量

與應(yīng)用程序的其他任務(wù)相比，原子操作是一種發(fā)生在瞬間的操作。在并發(fā)應(yīng)用程序中，可以通過(guò)一個(gè)臨界段來(lái)實(shí)現(xiàn)原子操作，以便對(duì)整個(gè)操作采用同步機(jī)制。

原子變量是一種通過(guò)原子操作來(lái)設(shè)置和獲取其值的變量。可以使用某種同步機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)原子變量，或者也可以使用CAS以無(wú)鎖方式來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)原子變量，而這種方式并不需要任何同步機(jī)制。

共享內(nèi)存與消息傳遞(重要)

任務(wù)可以通過(guò)兩種不同的方式來(lái)相互通信。

• 共享內(nèi)存，通常用于在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多任務(wù)的情況。任務(wù)在讀取和寫入值的時(shí)候使用相同的內(nèi)存區(qū)域。為了避免出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)該共享內(nèi)存的訪問(wèn)必須在一個(gè)由同步機(jī)制保護(hù)的臨界段內(nèi)完成。

• 消息傳遞，通常用于在不同計(jì)算機(jī)上運(yùn)行多任務(wù)的情形。當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要與另一個(gè)任務(wù)通信時(shí)，它會(huì)發(fā)送一個(gè)遵循預(yù)定義協(xié)議的消息。如果發(fā)送方保持阻塞并等待響應(yīng)，那么該通信就是同步的；如果發(fā)送方在發(fā)送消息后繼續(xù)執(zhí)行自己的流程，那么該通信就是異步的。

并發(fā)的問(wèn)題(了解)

數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)

如果有兩個(gè)或者多個(gè)任務(wù)在臨界段之外對(duì)一個(gè)共享變量進(jìn)行寫入操作，也就是說(shuō)沒(méi)有使用任何同步機(jī)制，那么應(yīng)用程序可能存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)（也叫做競(jìng)爭(zhēng)條件）。

在這些情況下，應(yīng)用程序的最終結(jié)果可能取決于任務(wù)的執(zhí)行順序。

public class ConcurrentDemo { private float myFloat; public void modify(float difference) { float value = this.myFloat; this.myFloat = value + difference;}public static void main(String[] args) {} }

死鎖

當(dāng)兩個(gè)（或多個(gè)）任務(wù)正在等待必須由另一線程釋放的某個(gè)共享資源，而該線程又正在等待必須由前述任務(wù)之一釋放的另一共享資源時(shí)，并發(fā)應(yīng)用程序就出現(xiàn)了死鎖。當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)出現(xiàn)如下四種條件時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致這種情形。我們將其稱為Coffman 條件。

• 互斥： 死鎖中涉及的資源、必須是不可共享的。一次只有一個(gè)任務(wù)可以使用該資源。
• 占有并等待條件： 一個(gè)任務(wù)在占有某一互斥的資源時(shí)又請(qǐng)求另一互斥的資源。當(dāng)它在等待時(shí)，不會(huì)釋放任何資源。
• 不可剝奪：資源只能被那些持有它們的任務(wù)釋放。
• 循環(huán)等待：任務(wù)1正等待任務(wù)2 所占有的資源， 而任務(wù)2 又正在等待任務(wù)3 所占有的資源，以此類推，最終任務(wù)n又在等待由任務(wù)1所占有的資源，這樣就出現(xiàn)了循環(huán)等待。

有一些機(jī)制可以用來(lái)避免死鎖。

• 忽略它們：這是最常用的機(jī)制。你可以假設(shè)自己的系統(tǒng)絕不會(huì)出現(xiàn)死鎖，而如果發(fā)生死鎖，結(jié)果就是你可以停止應(yīng)用程序并且重新執(zhí)行它。

• 檢測(cè)：系統(tǒng)中有一項(xiàng)專門分析系統(tǒng)狀態(tài)的任務(wù)，可以檢測(cè)是否發(fā)生了死鎖。如果它檢測(cè)到了死鎖，可以采取一些措施來(lái)修復(fù)該問(wèn)題，例如，結(jié)束某個(gè)任務(wù)或者強(qiáng)制釋放某一資源。

• 預(yù)防：如果你想防止系統(tǒng)出現(xiàn)死鎖，就必須預(yù)防Coffman 條件中的一條或多條出現(xiàn)

• 規(guī)避：如果你可以在某一任務(wù)執(zhí)行之前得到該任務(wù)所使用資源的相關(guān)信息，那么死鎖是可以規(guī)避的。當(dāng)一個(gè)任務(wù)要開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，你可以對(duì)系統(tǒng)中空閑的資源和任務(wù)所需的資源進(jìn)行分析，這樣就可以判斷任務(wù)是否能夠開(kāi)始執(zhí)行。

活鎖

如果系統(tǒng)中有兩個(gè)任務(wù)，它們總是因?qū)Ψ降男袨槎淖冏约旱臓顟B(tài)， 那么就出現(xiàn)了活鎖。最終結(jié)果是它們陷入了狀態(tài)變更的循環(huán)而無(wú)法繼續(xù)向下執(zhí)行。

例如，有兩個(gè)任務(wù)：任務(wù)1和任務(wù)2 ，它們都需要用到兩個(gè)資源：資源1和資源2 。假設(shè)任務(wù)1對(duì)資源1加了一個(gè)鎖，而任務(wù)2 對(duì)資源2 加了一個(gè)鎖。當(dāng)它們無(wú)法訪問(wèn)所需的資源時(shí)，就會(huì)釋放自己的資源并且重新開(kāi)始循環(huán)。這種情況可以無(wú)限地持續(xù)下去，所以這兩個(gè)任務(wù)都不會(huì)結(jié)束自己的執(zhí)行過(guò)程。

資源不足

當(dāng)某個(gè)任務(wù)在系統(tǒng)中無(wú)法獲取維持其繼續(xù)執(zhí)行所需的資源時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)資源不足。當(dāng)有多個(gè)任務(wù)在等待某一資源且該資源被釋放時(shí)，系統(tǒng)需要選擇下一個(gè)可以使用該資源的任務(wù)。如果你的系統(tǒng)中沒(méi)有設(shè)計(jì)良好的算法，那么系統(tǒng)中有些線程很可能要為獲取該資源而等待很長(zhǎng)時(shí)間。

要解決這一問(wèn)題就要確保公平原則。所有等待某一資源的任務(wù)必須在某一給定時(shí)間之內(nèi)占有該資源。可選方案之一就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)算法，在選擇下一個(gè)將占有某一資源的任務(wù)時(shí)，對(duì)任務(wù)已等待該資源的時(shí)間因素加以考慮。然而，實(shí)現(xiàn)鎖的公平需要增加額外的開(kāi)銷，這可能會(huì)降低程序的吞吐量。

優(yōu)先權(quán)反轉(zhuǎn)

當(dāng)一個(gè)低優(yōu)先權(quán)的任務(wù)持有了一個(gè)高優(yōu)先級(jí)任務(wù)所需的資源時(shí)，就會(huì)發(fā)生優(yōu)先權(quán)反轉(zhuǎn)。這樣的話，低優(yōu)先權(quán)的任務(wù)就會(huì)在高優(yōu)先權(quán)的任務(wù)之前執(zhí)行。

java內(nèi)存模型(JMM) 重要

JMM概述

出現(xiàn)線程安全的問(wèn)題一般是因?yàn)?strong>主內(nèi)存和工作內(nèi)存數(shù)據(jù)不一致性和重排序導(dǎo)致的，而解決線程安全的問(wèn)題最重要的就是理解這兩種問(wèn)題是怎么來(lái)的，那么，理解它們的核心在于理解java內(nèi)存模型（JMM）。

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(jìn)行，整個(gè)通信過(guò)程對(duì)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(jìn)行的線程之間通信的工作機(jī)制，很可能會(huì)遇到各種奇怪的內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題。我們需要處理兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：線程之間如何通信及線程之間如何同步（這里的線程是指并發(fā)執(zhí)行的活動(dòng)實(shí)體）。通信是指線程之間以何種機(jī)制來(lái)交換信息。緊接著我們需要知道java中那些是共享內(nèi)存

共享變量與局部變量

• 共享變量：在 java 中，所有實(shí)例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中，堆內(nèi)存在線程之間共享。

• 局部變量（Local variables）, 方法定義參數(shù)（java 語(yǔ)言規(guī)范稱之為 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(jiàn)性問(wèn)題，也不受內(nèi)存模型的影響。

JMM內(nèi)存模型抽象

Java 線程之間的通信由 Java 內(nèi)存模型(JMM java method model)控制，JMM 決定一個(gè)線程對(duì)共享變量的寫入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見(jiàn)。從抽象的角度來(lái)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(chǔ)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），本地內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程以讀 / 寫共享變量的副本。本地內(nèi)存是 JMM 的一個(gè)抽象概念，并不真實(shí)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。

Java 內(nèi)存模型的抽象示意圖如下：

從上圖來(lái)看，線程 A 與線程 B 之間如要通信的話，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(guò)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(guò)的共享變量。

線程A和線程B通過(guò)共享變量在進(jìn)行隱式通信。如果線程A更新后數(shù)據(jù)并沒(méi)有及時(shí)寫回到主存，而此時(shí)線程B讀到的是過(guò)期的數(shù)據(jù)，這就出現(xiàn)了“臟讀”現(xiàn)象。可以通過(guò)同步機(jī)制（控制不同線程間操作發(fā)生的相對(duì)順序）來(lái)解決或者通過(guò)volatile關(guān)鍵字使得每次volatile變量都能夠強(qiáng)制刷新到主存，從而對(duì)每個(gè)線程都是可見(jiàn)的。

重排序(重要)

一個(gè)好的內(nèi)存模型實(shí)際上會(huì)放松對(duì)處理器和編譯器規(guī)則的束縛，也就是說(shuō)軟件技術(shù)和硬件技術(shù)都為同一個(gè)目標(biāo)而進(jìn)行奮斗：在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能提高并行度。JMM對(duì)底層盡量減少約束，使其能夠發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)。因此，在執(zhí)行程序時(shí)，為了提高性能，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序。

Store Buffer的延遲寫入是重排序的一種，稱為內(nèi)存重排序（Memory Ordering）。除此之外，還有編譯器和CPU的指令重排序。

編譯器重排序。

對(duì)于沒(méi)有先后依賴關(guān)系的語(yǔ)句，編譯器可以重新調(diào)整語(yǔ)句的執(zhí)行順序。

CPU指令重排序。

在指令級(jí)別，讓沒(méi)有依賴關(guān)系的多條指令并行。

CPU內(nèi)存重排序。

CPU有自己的緩存，指令的執(zhí)行順序和寫入主內(nèi)存的順序不完全一致。

**1屬于編譯器重排序，而2和3統(tǒng)稱為CPU處理器重排序。**這些重排序會(huì)導(dǎo)致線程安全的問(wèn)題，一個(gè)很經(jīng)典的例子就是DCL問(wèn)題.

假設(shè)：X、Y是兩個(gè)全局變量，初始的時(shí)候，X，Y是全局變量并 X=0，Y=0。 線程A,B 分別執(zhí)行各自的值。線程1和線程2的執(zhí)行先后順序是不確定的，可能順序執(zhí)行，也可能交叉執(zhí)行，這就造成內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題。可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)果可能是：

a=0,b=1

a=1,b=0

a=1,b=1

對(duì)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）。對(duì)于CPU處理器重排序，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)存屏障指令，通過(guò)內(nèi)存屏障指令來(lái)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）。

內(nèi)存屏障（了解）

為了禁止編譯器重排序和 CPU 重排序，在編譯器和 CPU 層面都有對(duì)應(yīng)的指令，也就是內(nèi)存屏障（Memory Barrier）。這也正是JMM和happen-before規(guī)則的底層實(shí)現(xiàn)原理。

編譯器的內(nèi)存屏障，只是為了告訴編譯器不要對(duì)指令進(jìn)行重排序。當(dāng)編譯完成之后，這種內(nèi)存屏障就消失了，CPU并不會(huì)感知到編譯器中內(nèi)存屏障的存在。

而CPU的內(nèi)存屏障是CPU提供的指令，可以由開(kāi)發(fā)者顯示調(diào)用。內(nèi)存屏障是很底層的概念，對(duì)于 Java 開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，一般用 volatile 關(guān)鍵字就足夠了。但從JDK 8開(kāi)始，Java在Unsafe類中提供了三個(gè)內(nèi)存屏障函數(shù)，如下所示。

public final class Unsafe { // ... public native void loadFence(); public native void storeFence(); public native void fullFence();// ... }

在理論層面，可以把基本的CPU內(nèi)存屏障分成四種：

LoadLoad：禁止讀和讀的重排序。

StoreStore：禁止寫和寫的重排序。

LoadStore：禁止讀和寫的重排序。

StoreLoad：禁止寫和讀的重排序。

Unsafe中的方法：

loadFence=LoadLoad+LoadStore

storeFence=StoreStore+LoadStore

fullFence=loadFence+storeFence+StoreLoad

as-if-serial語(yǔ)義(了解)

as-if-serial語(yǔ)義的意思是：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提供并行度），（單線程）程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。

重排序的原則是什么？什么場(chǎng)景下可以重排序，什么場(chǎng)景下不能重排序呢？

單線程程序的重排序規(guī)則

無(wú)論什么語(yǔ)言，站在編譯器和CPU的角度來(lái)說(shuō)，不管怎么重排序，單線程程序的執(zhí)行結(jié)果不能改變，這就是單線程程序的重排序規(guī)則。

即只要操作之間沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴性，編譯器和CPU都可以任意重排序，因?yàn)閳?zhí)行結(jié)果不會(huì)改變，代碼看起來(lái)就像是完全串行地一行行從頭執(zhí)行到尾，這也就是as-if-serial語(yǔ)義。

對(duì)于單線程程序來(lái)說(shuō)，編譯器和CPU可能做了重排序，但開(kāi)發(fā)者感知不到，也不存在內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題。

多線程程序的重排序規(guī)則

編譯器和CPU的這一行為對(duì)于單線程程序沒(méi)有影響，但對(duì)多線程程序卻有影響。

對(duì)于多線程程序來(lái)說(shuō)，線程之間的數(shù)據(jù)依賴性太復(fù)雜，編譯器和CPU沒(méi)有辦法完全理解這種依賴性并據(jù)此做出最合理的優(yōu)化。

編譯器和CPU只能保證每個(gè)線程的as-if-serial語(yǔ)義。

線程之間的數(shù)據(jù)依賴和相互影響，需要編譯器和CPU的上層來(lái)確定。

上層要告知編譯器和CPU在多線程場(chǎng)景下什么時(shí)候可以重排序，什么時(shí)候不能重排序。

happens-before定義

JMM可以通過(guò)happens-before關(guān)系向程序員提供跨線程的內(nèi)存可見(jiàn)性保證這兩個(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。

---

• 如果一個(gè)操作happens-before另一個(gè)操作，那么第一個(gè)操作的執(zhí)行結(jié)果將對(duì)第二個(gè)操作可見(jiàn)，而且第一個(gè)操作的執(zhí)行順序排在第二個(gè)操作之前。

• 兩個(gè)操作之間存在happens-before關(guān)系，并不意味著Java平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)必須要按照happens-before關(guān)系指定的順序來(lái)執(zhí)行。如果重排序之后的執(zhí)行結(jié)果，與按happens-before關(guān)系來(lái)執(zhí)行的結(jié)果一致，那么這種重排序并不非法（也就是說(shuō)，JMM允許這種重排序）。

上面的1）是JMM對(duì)程序員的承諾。從程序員的角度來(lái)說(shuō)，可以這樣理解happens-before關(guān)系：如果A happens-before B，那么Java內(nèi)存模型將向程序員保證——A操作的結(jié)果將對(duì)B可見(jiàn)，且A的執(zhí)行順序排在B之前。注意，這只是Java內(nèi)存模型向程序員做出的保證！

上面的2）是JMM對(duì)編譯器和處理器重排序的約束原則。正如前面所言，JMM其實(shí)是在遵循一個(gè)基本原則：只要不改變程序的執(zhí)行結(jié)果（指的是單線程程序和正確同步的多線程程序），編譯器和處理器怎么優(yōu)化都行。JMM這么做的原因是：程序員對(duì)于這兩個(gè)操作是否真的被重排序并不關(guān)心，程序員關(guān)心的是程序執(zhí)行時(shí)的語(yǔ)義不能被改變（即執(zhí)行結(jié)果不能被改變）。因此，happens-before關(guān)系本質(zhì)上和as-if-serial語(yǔ)義是一回事。

---

as-if-serial和happens-before的區(qū)別

as-if-serial語(yǔ)義保證單線程內(nèi)程序的執(zhí)行結(jié)果不被改變，happens-before關(guān)系保證正確同步的多線程程序的執(zhí)行結(jié)果不被改變。

as-if-serial語(yǔ)義給編寫單線程程序的程序員創(chuàng)造了一個(gè)幻境：單線程程序是按程序的順序來(lái)執(zhí)行的。happens-before關(guān)系給編寫正確同步的多線程程序的程序員創(chuàng)造了一個(gè)幻境：正確同步的多線程程序是按happens-before指定的順序來(lái)執(zhí)行的。

as-if-serial語(yǔ)義和happens-before這么做的目的，都是為了在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能地提高程序執(zhí)行的并行度。

happens-before規(guī)則(了解)

程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作，happens-before于該線程中的任意后續(xù)操作。

監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)一個(gè)鎖的解鎖，happens-before于隨后對(duì)這個(gè)鎖的加鎖。

volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile域的寫，happens-before于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀。

傳遞性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

start()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.start()（啟動(dòng)線程B），那么A線程的ThreadB.start()操作happens-before于線程B中的任意操作。

join()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.join()并成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回。

程序中斷規(guī)則：對(duì)線程interrupted()方法的調(diào)用先行于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷時(shí)間的發(fā)生。

對(duì)象finalize規(guī)則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成（構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行結(jié)束）先行于發(fā)生它的finalize()方法的開(kāi)始。

happens-before值傳遞(了解)

這些基本的happen-before規(guī)則，happen-before還具有傳遞性，即若A happen-before B，Bhappen-before C，則A happen-before C。

舉例：

• volatile

如果一個(gè)變量不是volatile變量，當(dāng)一個(gè)線程讀取、一個(gè)線程寫入時(shí)可能有問(wèn)題。那豈不是說(shuō)，在多線程程序中，我們要么加鎖，要么必須把所有變量都聲明為volatile變量？這顯然不可能，而這就得歸功于happen-before的傳遞性。

class A { private int a = 0; private volatile int c = 0; public void set() { a = 5; // 操作1 c = 1; // 操作2 }public int get() { int d = c; // 操作3 return a; // 操作4 } }

? 操作1和操作2是在同一個(gè)線程內(nèi)存中執(zhí)行的，操作1 happen-before 操作2，同理，操作3 happen,before操作4。又因?yàn)閏是volatile變量，對(duì)c的寫入happen-before對(duì)c的讀取，所以操作2 happen，before操作3。利用happen-before的傳遞性，就得到：

? 操作1 happen-before 操作2 happen-before 操作3 happen-before操作4。

• synchronized

因?yàn)榕cvolatile一樣，synchronized同樣具有happen-before語(yǔ)義。展開(kāi)上面的代碼可得到類似于下面的偽代碼：

class A { private int a = 0; private int c = 0; public synchronized void set() {a = 5; // 操作1 c = 1; // 操作2 }public synchronized int get() { return a; } }

JMM的設(shè)計(jì)(重要)

上面已經(jīng)聊了關(guān)于JMM的兩個(gè)方面：1. JMM的抽象結(jié)構(gòu)（主內(nèi)存和線程工作內(nèi)存）；2. 重排序以及happens-before規(guī)則。

• 上層會(huì)有基于JMM的關(guān)鍵字和J.U.C包下的一些具體類用來(lái)方便程序員能夠迅速高效率的進(jìn)行并發(fā)編程。
• JMM處于中間層，包含了兩個(gè)方面：1. 內(nèi)存模型；2.重排序以及happens-before規(guī)則。為了禁止特定類型的重排序會(huì)對(duì)編譯器和處理器指令序列加以控制。

在設(shè)計(jì)JMM時(shí)需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵因素:

• 程序員對(duì)內(nèi)存模型的使用 程序員希望內(nèi)存模型易于理解、易于編程。程序員希望基于一個(gè)強(qiáng)內(nèi)存模型來(lái)編寫代碼
• 編譯器和處理器對(duì)內(nèi)存模型的實(shí)現(xiàn) 編譯器和處理器希望內(nèi)存模型對(duì)它們的束縛越少越好，這樣它們就可以做盡可能多的優(yōu)化來(lái)提高性能。編譯器和處理器希望實(shí)現(xiàn)一個(gè)弱內(nèi)存模型。

JMM 把 happens- before 要求禁止的重排序分為了下面兩類：

• 會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序。
• 不會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序。

JMM 對(duì)這兩種不同性質(zhì)的重排序，采取了不同的策略：

• 對(duì)于會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM 要求編譯器和處理器必須禁止這種重排序。
• 對(duì)于不會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM 對(duì)編譯器和處理器不作要求（JMM 允許這種重排序）
  

從上圖可以看出兩點(diǎn)：

• JMM 向程序員提供的 happens- before 規(guī)則能滿足程序員的需求。JMM 的 happens- before 規(guī)則不但簡(jiǎn)單易懂，而且也向程序員提供了足夠強(qiáng)的內(nèi)存可見(jiàn)性保證（有些內(nèi)存可見(jiàn)性保證其實(shí)并不一定真實(shí)存在，比如上面的 A happens- before B）。
• JMM 對(duì)編譯器和處理器的束縛已經(jīng)盡可能的少。從上面的分析我們可以看出，JMM 其實(shí)是在遵循一個(gè)基本原則：只要不改變程序的執(zhí)行結(jié)果（指的是單線程程序和正確同步的多線程程序），編譯器和處理器怎么優(yōu)化都行。比如，如果編譯器經(jīng)過(guò)細(xì)致的分析后，認(rèn)定一個(gè)鎖只會(huì)被單個(gè)線程訪問(wèn)，那么這個(gè)鎖可以被消除。再比如，如果編譯器經(jīng)過(guò)細(xì)致的分析后，認(rèn)定一個(gè) volatile 變量?jī)H僅只會(huì)被單個(gè)線程訪問(wèn)，那么編譯器可以把這個(gè) volatile 變量當(dāng)作一個(gè)普通變量來(lái)對(duì)待。這些優(yōu)化既不會(huì)改變程序的執(zhí)行結(jié)果，又能提高程序的執(zhí)行效率。

JMM 的內(nèi)存可見(jiàn)性保證(重要)

Java 程序的內(nèi)存可見(jiàn)性保證按程序類型可以分為下列三類：

• 單線程程序。單線程程序不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題。編譯器，runtime 和處理器會(huì)共同確保單線程程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果相同。
• 正確同步的多線程程序。正確同步的多線程程序的執(zhí)行將具有順序一致性（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）。這是 JMM 關(guān)注的重點(diǎn)，JMM 通過(guò)限制編譯器和處理器的重排序來(lái)為程序員提供內(nèi)存可見(jiàn)性保證。
• 未同步 / 未正確同步的多線程程序。JMM 為它們提供了最小安全性保障：線程執(zhí)行時(shí)讀取到的值，要么是之前某個(gè)線程寫入的值，要么是默認(rèn)值（0，null，false）。

下圖展示了這三類程序在 JMM 中與在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果的異同：

標(biāo)注：在學(xué)習(xí)中需要修改的內(nèi)容以及筆記全在這里 www.javanode.cn，謝謝！有任何不妥的地方望糾正

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的最新详细的JMM内存模型(三天熬夜血肝）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。