Java内存模型

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1. 多线程安全

1.1 为什么会导致线程不安全

可见性
- 描述：线程对共享变量修改，其他线程应立刻可见
- 问题：CPU1在执行时先将共享变量加载到自己的高速缓存中，此时CPU2的修改对于CPU1不可见
- 解决：volatile和synchronized和各种Lock
原子性
- 描述：操作要么全部执行成功，要么全部失败
- 问题：由CPU分时复用引起。比如线程1在执行完之后，还没来得及将CPU缓存写入内存就被CPU2执行
- 解决：synchronized和各种Lock
有序性
- 描述：程序按代码的先后顺序执行
- 问题：编译程序为了优化可能会指令重排（Instruction Reorder），Java代码到执行过程会经过编译器优化重排序、指令级并行重排序、内存系统重排序三个过程
- 解决：volatile可以禁止指令进行重排序优化

1.2 Java解决并发安全的方案

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，并提供了 volatile、synchronized 和 final 三个关键字来禁用缓存和编译优化，并提供了Happens-Before 规则来解决并发安全问题

2. Java内存模型

2.1 介绍

Java 线程之间的通信由 Java 内存模型（JMM） 控制。JMM 决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，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（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读 / 写共享变量的副本

主内存：所有线程创建的实例对象都存放在主内存
本地内存：每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存存储了该线程以读 / 写共享变量的副本。每个线程只能操作自己本地内存中的变量，无法直接访问其他线程的本地内存。如果线程间需要通信，必须通过主内存来进行。本地内存是 JMM 抽象出来的一个概念，并不真实存在，它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

如图，线程AB想要通信就必须由线程A将变量同步到主内存，线程B再从主内存拿到这个变量。JMM为主内存和本地内存的同步定义了8种同步操作：

锁定（lock）: 作用于主内存，将变量标记为一个线程独享变量
解锁（unlock）: 作用于主内存，解除变量的锁定状态，被解除锁定状态的变量才能被其他线程锁定
读取（read）：作用于主内存，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的 load 动作使用
载入（load）：把 read 操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量的副本中
使用（use）：把工作内存中的一个变量的值传给执行引擎，每当虚拟机遇到一个使用到变量的指令时都会使用该指令
赋值（assign）：作用于工作内存，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作
存储（store）：作用于工作内存，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的 write 操作使用
写入（write）：作用于主内存，它把 store 操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中

2.2 Happens-Before原则

在分布式环境中，通过一系列规则来定义逻辑时钟的变化，从而能通过逻辑时钟来对分布式系统中的事件的先后顺序进行判断。逻辑时钟并不度量时间本身，仅区分事件发生的前后顺序，其本质就是定义了一种 Happens-Before 关系

Happens-Before为了尽可能减少对编译器和处理器的限制，允许不改变程序结果的重排序，而禁止改变结果的重排序。

对于这段代码：

int userNum = getUserNum();   // 1
int teacherNum = getTeacherNum();   // 2
int totalNum = userNum + teacherNum;  // 3

对于1和2，显然不会改变程序的执行结果，JMM允许对其进行重排序；但3需要1和2的执行结果，也就是1，2happens-before3，所以这里不允许重排序