Java多线程学习笔记之三内存屏障与Java内存模型

基本内存屏障

　　处理器支持那种内存重排序，就会提供能够禁止相应内存重排序的的指令，这些指令就被成为基本内存屏障：StroeLoad屏障、StroeLoad屏障、LoadLoad屏障、LoadStore屏障。基本内存屏障是对一类指令的称呼（可以用XY来标识），这类指令的作用是禁止该指令左侧的X操作与该指令右侧的Y操作之间进行重排序，从而确保该指令左侧的所有X操作先于该指令右侧的Y操作被提交，即内存操作作用到主内存（或高速缓存）上。基本内存屏障只是保障其左侧的X操作先于右侧的Y操作被提交，但是它并不完全禁止重排序，XY屏障两侧的内存操作仍然可以在不越过内存屏障本身的情况下在各自范围内进行重排序，并且XY屏障左侧的非X操作和屏障右侧的非Y操作之间仍可以重排序。

基本内存屏障的具体作用

屏障名称	示例指令序列	具体作用
StroeLoad	Store1,Store2,Store3, StoreLoad,Load1,Load2,Load3	禁止StoreLoad重排序，即确保该屏障之前的任何一个写操作的结果都会在该屏障之后任何一个读操作的数据被加载之前对其他处理器来说是可同步的
StoreStore	Store1,Store2,Store3, StoreStore,Store4,Store5,Store6	禁止StoreStore重排序，即确保该屏障之前的任何一个写操作的结果都会在该屏障之后任何一个写操作之前对其他处理器来说是可同步的
LoadLoad	Load1,Load2,Load3, LoadLoad,Load4,Load5,Load6	禁止LoadLoad重排序，即确保该屏障之前的任何一个读操作的数据都会在该屏障之后的任何一个读操作之前被加载
LoadStore	Load1,Load2,Load3, LoadStore,Store1,Store2,Store3	禁止LoadStore重排序，确保该屏障之前的任何一个读操作的数据都会在该屏障之后的任何一个写操作的结果被冲刷到高速缓存（或主内存）之前被加载

StroeLoad 屏障会清空无效化队列，并将写缓冲器中的条目冲刷到高速缓存。因此，StroeLoad 屏障既可以将其他处理器对共享变量所做的更新同步到该处理器的高速缓存中，又可以使其处理器对共享变量所做的共享对其他处理器来说是同步的。
StoreStore屏障是通过对写缓存器中的条目进行标记来实现禁止StoreStore重排序的。StoreStore屏障会将写缓冲器中的现有条目做一个标记，以表示这些条目代表的写操作需要先于该屏障之后的写操作被提交处理器在执行写操作时如果发现写缓冲器中存在被标记的条目，那么即使这个写操作对应的高速缓存条目的状态为M或E，也不直接写入高速缓存，而是写入写缓冲器，保证StoreStore屏障之前的写操作先于之后的写操作被提交。
LoadLoad屏障是通过清空无效化队列来实现禁止LoadLoad重排序。LoadLoad屏障会使其执行处理器根据无效化队列中的Invalidate消息删除其高速缓存中相应的副本。是处理器有机会将其他处理器对共享变量所做的更新同步到该处理器的高速缓存中，从而消除了LoadLoad重排序重排序的根源。

Java内存模型

　　Java内存模型定义了final、volatile、synchronized关键字的行为，并确保正确同步的Java程序能够正确的运行在不同架构的处理器上。它从“什么”的角度解答了以下几个线程安全问题。

原子性问题：针对实例变量、静态变量（即共享变量非局部变量）的读、写操作，哪些是具备原子性的，哪些可能不具备原子性。
可见性问题：一个线程对实例变量、静态变量进行的更新在什么情况下能够被其他线程所读取。
有序性问题：一个线程对多个实例变量、静态变量进行的更新在什么情况下在其他线程看来可以是乱序的。

　　在原子性方面，Java内存模型规定了对long、double型以外的基本数据类型和引用数据类型的共享变量进行读、写操作都是具有原子性的。特别的，对于volatile修饰的long、double型共享变量进行读、写操作也是具有原子型的。可见性和有序性，Java内存模型是通过happens-before这个术语解答的。

happens-before关系

　　假设动作A happens-before 动作B，那么Java内存模型机会保证A的操作结果对B是可见的，即A的操作结果会在B被执行请提交。happens-before关系具有传递性，如果A happens-before B，B happens-before C，则A happens-before C。Java内存模型定义了一些有关happens-before关系的规则，这些规则规定了两个动作在什么情况下具有happens-before关系，如下所示。

程序顺序规则：一个线程中每个动作都happens-before该线程中程序顺序上排在该动作之后的每一个动作。
内部锁规则：内部锁的释放happens-before后续每一个对该锁的申请。释放和申请必须是针对同一锁实例。
volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作happens-before后续每一个对该变量的读操作。
线程启动规则：调用一个线程的start方法happens-before被启动这个线程中的任何一个动作。
线程终止规则：一个线程中任何一个动作都happens-before该线程的join方法的执行线程在join方法返回之后所执行的任意一个动作。