12.3 内存模型

1. 主内存与工作内存

线程、主内存、工作内存之间的关系.png

Java线程之间通信的话，必须经过2个步骤

1)线程A把本地内存中更新过的共享变量刷新到主内存中去
2)线程B到主内存中去读取线程A之前更新过的共享变量

2.从源码到指令序列的重排序

2.1：编译器优化重排序：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
2.2：指令级并行重排序：现在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及其指令的执行顺序。
2.3：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乱序执行。

重排序.png

这些重排序可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器(2.1)，JMM的编译器规则会禁止特定类型的编译器重排序。对于处理器的重排序(2.2和2.3)，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(Memory Fence)指令来禁止特定类型的处理器重排序。

3.as-if-serial 和 happens-before

$\color{red}{3.1.单线程程序(as-if-serial)}$ 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

PS:为了遵循该语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序，因为这种重排序会改变执行结果

$\color{red}{3.2.happens-before}$ 语义规则：

程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。
监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这种锁的枷锁。
volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。
传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。
start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()(启动线程B)，那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。
join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。

$\color{red}{3.3.happens-before}$ 的关系定义：

如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。 $\color{#4285f4}{PS:是JMM对程序员的承诺}$
两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么这种操作也是被允许的(即：不是按照程序员编写的代码顺序执行的)， $\color{#4285f4}{PS:这条定义是JMM对编译器和处理器重排序的约束原则}$ 。

$\color{red}{3.4.总结}$ ：

as-if-serial语义的编译器、runtime和处理器为编写单线程程序员创建了一个幻境：单线程程序是按程序的顺序来执行的
happens-before语义给编写正确同步的多线程程序的程序员创造一个幻境：正确同步的多线程程序是按happens-before指定的顺序来执行的

4.volatile的内存语义

线程A写一个volatile变量，实质上是线程A向接下来将要读这个volatile变量的某个线程发出(其对共享变量所做修改的)消息。
线程B读一个volatile变量，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的(在写这个volatile变量之前对共享变量所做修改的)消息
线程A写一个volatile变量，随后线程B读这个volatile变量，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息
PS：参照缓存一致性协议：https://www.jianshu.com/p/690b0e4baf61

4.1.volatile内存语义的实现

重排序规则表.png

当第二个操作是volatile写时，不管第一个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile之后
当第一个操作是volatile读时，不管第二个操作是什么，都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之后。
当第一个操作是volatile写时，第二个操作是volatile读时，不能重排序。

JMM采取保守策略，如下

在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

5.锁的内存语义

线程A释放一个锁，实质上是线程A向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了(线程A对共享变量所做修改的)消息
线程B获取一个锁，实质上是线程B接收了之前某个线程发出(在释放这个锁之前对共享变量所做修改的)消息
线程A释放锁，随后线程B获取这个锁，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息

//锁释放-获取的示例代码
class MonitorExample {
  int a = 0;
  public synchronized void writer(){   //1
      a++;                                            //2
  }                                                      //3
  public synchronized void reader(){ //4 
      int i = a;                                      //5
      .......                                            //6
  }
}
1）根据程序次序规则，1 happens-before 2, 2 h-b 3,  4 h-b 5, 5 h-b 6
2）根据监视器锁规则， 3 h-b 4
3）根据h-b的传递性，  2 h-b 5

//未使用监视器
class MonitorExample {
  int a = 0;
  public void writer(){   //1
      a++;                                            //2
      Thread.sleep(10);  //睡眠10毫秒，等待reader()的执行
  }                                                      //3
  public void reader(){ //4 
      int i = a;                                      //5
      if(i == 0){                                           //6
        System.out.println("当前i值为" + i + ",当前主内存中a值" + a);
      }                                            
  }
  public static void main(String[] args){
    for(;;){
        MonitorExample me = new MonitorExample();
        Thread t1 = new Thread(() ->{
            me.writer();
        });
        Thread t2 = new Thread(() ->{
            me.reader();
        });
        
        t1.setPriority(10);//优先让writer()方法执行
        t1.start();
        t2.setPriority(1);
        t2.start();
    }
  }
}

//出现不可见问题：当前i值为0，当前主内存a值为1

6.final域的内存语义

6.1 final域的重排序规则
对于final域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则

在构造函数内对一个final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序
初次读一个包含final域的对象的引用，与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序
6.2 final语义在处理器中的实现(以X86为例)
写final域的重排序规则会要求编译器在final域的写之后，构造函数return之前插入一个StoreStore屏障。读final域的重排序规则要求编译器在读final域的操作前面插入一个LoadLoad屏障。

synchronized和volatile最终都是使用lock执行

synchronzied使用lock cmpxchg
valatile使用lock add$空指令

CAS

最终实现：cmpxchg
多核情况下会多添加lock指令，即 lock cmpxchg

硬件层面(intel)：

确保对内存的读-改-写操作原子执行，带lock前缀的指令在执行期间会使用缓存锁定来保证指令执行的原子性，PS：锁住一个北桥信息(电信号，新版的处理器不采用锁总线的方式)
禁止该指令，与之前和之后的读写指令重排序
把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中

参考书籍：Java并发编程的艺术(方腾飞)