【并发编程】一文带你读懂深入理解Java内存模型（面试必备）

并发编程这一块内容，是高级资深工程师必备知识点，25K起如果不懂并发编程，那基本到顶。但是并发编程内容庞杂，如何系统学习？本专题将会系统讲解并发编程的所有知识点，包括但不限于：

线程通信机制，深入JMM内存模型原理，深入synchronized原理，深入volatile原理，DCL，详解AQS,CAS,可重入锁，读写锁原理，详解并发工具类，深入理解threadLocal，Fork、Join，原子类详解，Java并发集合详解（ConcurrentHashMap，ConcurrentLinedQueue，ConcurrentListMap等），阻塞队列深入探究，深入线程池原理及其设计思想。
本文为深入理解java内存模型。

零、全文思维导图

主线如上图红色箭头，大家可以先看看整体讲的是什么。java内存模型前面是铺垫，后面是相关内容。

一、引出java内存模型（不做重点讲解）

二、那什么才会用到java内存模型？

共享变量（实例域，静态域，数组元素）才会用到。
局部变量，方法定义参数等不会在线程间共享，所以他们不会有内存可见性问题，也不受内存模型影响

三、java内存模型抽象示意图

Java内存模型简称JMM（Java Memory Model），是Java虚拟机所定义的一种抽象规范，用来屏蔽不同硬件和操作系统的内存访问差异，让java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

3.1 主内存（Main Memory）

主内存可以简单理解为计算机当中的内存，但又不完全等同。主内存被所有的线程所共享，对于一个共享变量（比如静态变量，或是堆内存中的实例）来说，主内存当中存储了它的“本尊”。

3.2 本地内存（Working Memory）

本地内存可以简单理解为计算机当中的CPU高速缓存，但又不完全等同。每一个线程拥有自己的工作内存，对于一个共享变量来说，工作内存当中存储了它的“副本”。为啥有本地内存这个概念？因为直接操作主内存太慢了

通过一系列内存读写的操作指令（JVM内存模型共定义了8种内存操作指令，以后会细讲），线程A把静态变量 s=0 从主内存读到工作内存，再把 s=3 的更新结果同步到主内存当中。从单线程的角度来看，这个过程没有任何问题。

四、指令重排序

理解重排序前这个概念前，我们先转换场景，从java内存模型走出来，来到硬件CPU这个维度。

4.1基本概念：

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序（简单理解就是原本我们写的代码指令执行顺序应该是A→B→C，但是现在的CPU都是多核CPU，为了秀下优越，为了提高并行度，为了提高性能等，可能会出现指令顺序变为B→A→C等其他情况）。

当然CPU们也不是随便就去重排序，需要满足以下两个条件（遵循的规则）：

在单线程环境下不能改变程序运行的结果；
存在数据依赖关系的不允许重排序

4.2重排序分三类：

编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读／写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

从 Java 源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序：

那么重排序会遵循什么样的规则？

五、as-if-serial

5.1as-if-serial语义的意思是：

不管怎么重排序，（单线程）程序的执行结果不能被改变。编译器，runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。OK，这就相当于给CPU们定下规则。不要随便重排序。要满足我这个as-if-serial的前置条件，才能重排序。

5.2

as-if-serial语义把单线程程序保护了起来，遵守as-if-serial语义的编译器，runtime和处理器共同为编写单线程程序的程序员创建了一个幻觉：单线程程序是按程序的顺序来执行的。as-if-serial语义使程序员不必担心单线程中重排序的问题干扰他们，也无需担心内存可见性问题。

注意：as-if-serial只保证单线程环境，多线程环境下无效。那多线程，并发编程下怎么办？

六、多线程下导致的问题及解决办法

上面的这些重排序都可能导致多线程程序出现内存可见性问题，JMM那么如何解决？

对于编译器重排序，JMM 的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。
对于处理器重排序，JMM 的处理器重排序规则会要求 Java 编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。

JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。

七、什么是内存屏障？

7.1 内存屏障（Memory Barrier）是一种CPU指令‘。

内存屏障也称为内存栅栏或栅栏指令，是一种屏障指令，它使CPU或编译器对屏障指令之前和之后发出的内存操作执行一个排序约束。

7.2 实际运用场景：

volatile便是基于内存屏障实现的。
观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令。这个指令就相当于一个内存屏障。具体表现为：

当写一个volatile 变量时，JMM 会把该线程对应的本地内存中的共享变量值立即刷新到主内存中。
当读一个volatile 变量时，JMM 会把该线程对应的本地内存设置为无效，直接从主内存中读取共享变量

从而保证了，如果某个线程对volatile修饰的共享变量进行更新，那么其他线程可以立马看到这个更新，这就是所谓的线程可见性。

（注，关于volatile会在后面单章讲解，这里不过于赘婿）

八、happens-before原则

从jdk5开始，java使用新的JSR-133内存模型，基于happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。
换句话说，在JMM中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在happens-before关系。
happens-before原则是JMM中非常重要的原则，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，保证了多线程环境下的可见性。
这个的两个操作既可以在同一个线程，也可以在不同的两个线程中。

摘录一些happens-before规则如下：
1、程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中任意的后续操作。
2、监视器锁规则：对一个锁的解锁操作，happens-before于随后对这个锁的加锁操作。
3、volatile域规则：对一个volatile域的写操作，happens-before于任意线程后续对这个volatile域的读。
4、传递性规则：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么A happens-before C。
注意：两个操作之间具有happens-before关系，并不意味前一个操作必须要在后一个操作之前执行！仅仅要求前一个操作的执行结果，对于后一个操作是可见的，且前一个操作按顺序排在后一个操作之前。

那么说了那么多规则，来看看happens-before与JMM的关系

九、as-if-serial和happens-before小结

as-if-serial语义保证单线程内程序的执行结果不被改变
happens-before关系保证正确同步的多线程程序的执行结果不被改变。
其实都是为了在不改变程序执行结果的前提下，尽可能地提高程序执行的并行度。

十、扯了那么久，这几者如何理解？结论：

重排序是多核CPU等为了性能进行的优化操作，但会导致可见性等问题。为了解决这些问题，所以JMM需要制定一些规则，不让其随意重排序。
as-if-serial只保证单线程环境的不可随意重排序，那么多线程下呢？
所以有了happens-before原则，其是JMM(JSR-133内存模型)的规范之一。
内存屏障是CPU指令。
所以说，happens-before是JMM制定的最终目的，内存屏障则是实现happens-before的具体手段。

END

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