Java 内存模型

线索：

1. 如何理解 happens-before 规则；

2. 线程内与线程间（六项）的 happens-before 规则；

3. 指令重排现象；

4. happens-before 的底层实现，举例 volatile；

5. synchronized、final、对象发布

1. 站在程序员的视角，可以将 Java 内存模型理解为：Java 内存模型规范了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。具体来说，这些方法包括 volatile、synchronized 和 final 三个关键字，以及六项 Happens-Before 规则。

2. 即时编译器（和处理器）需要保证程序能够遵守 as-if-serial 属性。通俗地说，就是在单线程情况下，要给程序一个顺序执行的假象。即经过重排序的执行结果要与顺序执行的结果保持一致。另外，如果两个操作之间存在数据依赖，那么即时编译器（和处理器）不能调整它们的顺序，否则将会造成程序语义的改变。

happens-before 规则

1. 理解 happens-before：happens-before 关系是用来描述两个操作的内存可见性的。比如，操作 x happens-before 操作 y，那么 x 的结果对 y 可见。

2. 在线程内，字节码的先后顺序也暗含了 happens-before 关系：在程序控制流路径中靠前的字节码 happens-before 靠后的字节码。然而，这并不意味着前者一定在后者之前执行。实际上，如果后者没有观测前者的运行结果，即后者没有数据依赖于前者，那么它们可能会被重排序。

3. 线程间的 happens-before 关系。（六条）

1. 解锁操作 happens-before 之后（这里指时钟顺序先后）对同一把锁的加锁操作。

2. volatile 字段的写操作 happens-before 之后（这里指时钟顺序先后）对同一字段的读操作。

3. 线程的启动操作（.starts()） happens-before 该线程的第一个操作。// 加上线程内的 happens-before 关系，那么在.start()前主线程对共享变量的操作都对子线程可见。

4. 线程的最后一个操作 happens-before 它的终止事件（即其他线程通过 Thread.isAlive() 或 Thread.join() 判断该线程是否中止）。

5. 线程对其他线程的中断操作 happens-before 被中断线程所收到的中断事件（即被中断线程的 InterruptedException 异常，或者第三个线程针对被中断线程的 Thread.interrupted 或者 Thread.isInterrupted 调用）。

6. 构造器中的最后一个操作 happens-before 析构器的第一个操作。（析构器 finalizer 是在类被销毁之前由编译器自动调用的一个方法。）

4. happens-before 规则还具备传递性。如果操作 X happens-before 操作 Y，操作 Y happens-before 操作 Z，那么操作 X happens-before 操作 Z。

int a=0, b=0;
public void method1() {  int r2 = a;  b = 1;}
public void method2() {  int r1 = b;  a = 2;}

上面这段代码中，没有定义任何 happens-before 关系，仅拥有默认的线程内 happens-before 关系。也就是 r2 的赋值操作 happens-before b 的赋值操作，r1 的赋值操作 happens-before a 的赋值操作。（程序声明的顺序）

Thread1      Thread2  |            | b=1           |  |          r1=b  |           a=2r2=a           |

拥有（默认的线程内）happens-before 关系的赋值操作之间没有数据依赖，因此即时编译器、处理器都可能对其进行重排序。举例来说，只要将 b 的赋值操作排在 r2 的赋值操作之前，那么便可以按照赋值 b，赋值 r1，赋值 a，赋值 r2 的顺序得到（1，2）的结果。

要解决这个问题，方法可以是将 a 或者 b 设置为 volatile 字段。比如将 b 设置为 volatile 字段。假设 r1 能够观测到 b 的赋值结果 1。显然，这需要 b 的赋值操作在时钟顺序上先于 r1 的赋值操作。根据 volatile 字段的 happens-before 关系，我们可以得到， b 的赋值操作 happens-before r1 的赋值操作。

根据同一个线程中，字节码顺序所暗含的 happens-before 关系，我们可以得到如下的 happens-before 关系：

① 赋值 b happens-before 赋值 r1

② 赋值 r2 happens-before 赋值 b

③ 赋值 r1 happens-before 赋值 a

根据 happens-before 关系的传递性，我们可以得到 赋值 r2 happens-before 赋值 a

这也就意味着，当对 a 进行赋值时，对 r2 的赋值操作已经完成了。因此，在 b 为 volatile 字段的情况下，程序不可能出现（r1，r2）为（1，2）的情况。由此可以看出，解决这种数据竞争问题的关键在于构造一个跨线程的 happens-before 关系。

正常情况包括（r1,r2）=（1,0）、（0,2）、（0,0）：发生线程切换

Java 内存模型的底层实现

1. Java 内存模型是通过内存屏障（memory barrier）来禁止重排序的。对于即时编译器来说，它会针对前面提到的每一个 happens-before 关系，向正在编译的目标方法中插入相应的读读、读写、写读以及写写内存屏障。这些内存屏障会限制即时编译器的重排序操作。

以 volatile 字段访问为例，所插入的内存屏障将不允许 volatile 字段写操作之前的内存访问被重排序至其之后；也将不允许 volatile 字段读操作之后的内存访问被重排序至其之前。

然后，即时编译器会根据具体的底层体系架构，将这些内存屏障替换成具体的 CPU 指令。对于我们日常接触的 X86_64 架构来说，读读、读写以及写写内存屏障是空操作（no-op），只有写读内存屏障会被替换成具体指令。

2. 举例来说，对于 volatile 字段，即时编译器会在对 volatile 字段的读写操作前后各插入一些内存屏障。然而，在 X86_64 架构上，只有在 对 volatile 字段写操作之后的 写读内存屏障需要用具体的指令来替代。（HotSpot 所选取的具体指令是 lock add DWORD PTR [rsp],0x0，而非 mfence）。该指令的效果可以理解为 强制刷新处理器的写缓存。

写缓存是处理器用来加速内存存储效率的一项技术。在碰到内存写操作时，处理器并不会等待该指令结束，而是直接开始下一指令，并且依赖于写缓存将更改的数据同步至主内存之中。

强制刷新写缓存，将使得当前线程写入 volatile 字段的值（以及写缓存中已有的其他内存修改），同步至主内存之中。由于内存写操作同时会无效化其他处理器所持有的、指向同一内存地址的缓存行，因此可以认为其他处理器能够立即见到该 volatile 字段的最新值。（无效化缓存行，则会到内存中读取）。

synchronized，volatile，final 与安全发布

1. synchronized（锁=互斥+可见性）

解锁操作 happens-before 之后对同一把锁的加锁操作。实际上，在解锁时，虚拟机同样需要强制刷新缓存，使得当前线程所修改的内存对其他线程可见。

不过，synchronized 规则说的是对同一把锁。这就意味着，如果编译器能够通过逃逸分析证明某把锁仅被同一线程持有，那么它可以移除相应的加锁解锁操作，自然也就不再强制刷新缓存。比如，即时编译后的 synchronized (new Object()) {}，可能等同于空操作（既不会加锁，也不需要解锁），自然也就不会强制刷新缓存。

2. volatile

volatile 字段可以看成一种轻量级的、不保证原子性的同步，其性能往往优于锁操作。然而，频繁地访问 volatile 字段也会因为不断地强制刷新缓存而严重影响程序的性能。在 X86_64 平台上，只有 volatile 字段的写操作会强制刷新缓存，因此，理想情况下对 volatile 字段应该是读多写少的，并且应当只有一个线程进行写操作（对 volatile 字段的写操作是互斥的）。

volatile 字段的另一个特性是即时编译器无法将其分配到寄存器里。也就是说，它会确保我们对于这个变量的读取和写入，都一定会同步到主内存里，而不是从 Cache 里面读取。

volatile 变量对可见性的影响比 volatile 变量本身更为重要。当线程 A 首先写 volatile 变量，线程 B 随后读取同一 volatile 变量，根据 volatile 的 happens-before 规则，在写入 volatile 变量之前对 A 可见的所有变量的值，在 B 读取了 volatile 变量后，对 B 也是可见的。因此，从内存可见性的角度看，写入 volatile 变量相当于退出同步代码块，而读取 volatile 变量就相当于进入同步代码块。

3. final

final 实例字段涉及新建对象的发布问题。当一个对象包含 final 实例字段时，我们希望其它线程看到的是已初始化的 final 实例字段。因此，即时编译器会在 final 字段的写操作 之后插入一个写写屏障，以防某些优化将新建对象的发布（即将实例对象写入到一个共享引用中）重排序至 final 字段的写操作之前。// 双重检测创建单例对象。

当然，新建对象的安全发布 不仅包括 final 实例字段的可见性，还包括其它字段的可见性。当发布一个已初始化的对象时，我们希望所有已初始化的实例字段对其他线程可见。否则，其他线程可能见到一个仅部分初始化的新建对象，从而造成程序错误。