Java并发编程的艺术阅读笔记-JMM篇

因为可见性问题导致处理器不同核心看到的内存操作顺序不一致，从而看起来就像是指令被重排了一样

JMM在编译器重排阶段， 会禁止特定类型的编译器重排， 在处理器重排序阶段，通过在指令之间插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排， 从而确保了在不同的编译器和不同的处理器平台上，不会应为重排序规则不一致导致非预期的运行结果

现代处理器与内存进行数据交互，会先将数据写到自己的缓冲区中， 每个处理器都有自己的缓冲区， 这种特性就会导致缓冲区中的数据和内存的数据存在不一致， 例如核心A执行两条指令， 指令1是更新x的值， 指令2是读取y的值， 核心A更新了x并写入缓冲区，然后去主存读了y； 核心B执行两条指令， 指令1是更新y的值， 指令2是读取x的值， 核心B更新了y的值写入缓冲区， 然后去主存读了x的值， 因为两个核心的缓冲器都还未刷新，所以他们读到的都是旧值， 或者是只刷新了一个缓冲区； 这些都会导致在指令层面看起来就像是发生了指令重排一样， 其实核心是因为可见性问题，所以也会有人将这种现象称之为内存系统指令重排。

1.5开始， java开始使用jsr-133规范的内存模型 (jsr-133是java内存模型和线程规范，是JSR-176的一部分) jsr-133中引入了happens-before原则， 这是一种描述多个操作之间先后顺序关系的概念 ， 如果操作A happens-before 于操作B, 那么操作A的结果一定对操作B可见， 操作A和B可以是同一线程内的，也可以是不同线程之间的。

注意 happens-before 是一种偏序关系， 它只要求前一个操作的结果对后一个操作可见， 但不能保证前一个操作一定在后一个操作之前执行， 比如A happens-before B， B先执行，B在执行过程中需要读取A写入的数据， 那么happens-before是可以保证B读取到正确的数据的，但是不能保证A肯定在B之前执行。

如果A happens-before B，JMM并不要求A一定要在B之前执行。JMM仅仅要求前一个操作（执行的结果）对后一个操作可见，且前一个操作按顺序排在第二个操作之前。 这里的操作顺序指的是程序的逻辑执行流程

as-if-serial语义的意思是，在单线程环境下， 不管怎么重排序， 执行结果始终是不变的； 可以理解为看起来像是顺序执行的， 但其实可能已经被重排过了。

当程序中的操作存在控制依赖关系， 会影响指令序列执行的并行度， 因此，编译器和处理器会使用猜测执行来消除控制依赖对并行度的影响， 比如if(flag) {a = a + b} ; 处理会提前执行a = a + b , 并将结果临时保存在重排序缓冲中（Reorder Buffer）; 当flag为真时，就将计算结果写入到变量a中。

所以， 即使多个指令之间存在控制依赖关系， 编译器和处理器依旧会对它们进行重排序， 而在多线程环境下，这种重排是可能改变程序的预期运行结果的， 需要通过同步机制来约束， 比如锁 volatile 或者是 final 。 单线程下有as-if-serial规则， 所以不会改变运行结果。

顺序一致性内存模型是一个理想化的理论模型， 它的两大特性分别是 1.一个线程中的所有指令都必须按照顺序执行 ； 2.不管是否在同步环境下， 所有线程看见的指令执行顺序都是一致的， 每个操作都必须是原子执行并且立刻对所有线程可见

但是在JMM中， 是无法保证未同步的程序中，所有线程看见的执行顺序是一致的，而且也没法保证实时可见性， 因为这种特性会大大约束编译器和处理器的优化手段，JMM通过锁或者是一些同步原语来保证多线程环境下的执行结果； 并且在临界区内的指令，也是可能会被重排的， 这会很大提高程序的执行速度。

volatile的特性可以近似的看成通过锁操作对单个变量的读写操作做了同步， 对于单个变量的读写操作， volatile是可以确保原子性的， 注意，这里的原子性指的单个变量 ，比如在32位的设备中， 对于64位的long变量的写入， jmm会将其拆分为两个32位的写操作 ，也就是高低32位会被分开写入，这可能会导致字节撕裂现象，（jdk1.5之后， 对于这种64位的变量的读已经强制要求原子性，也就是读操作必须在单个总线事务中执行，已经很好的解决了字节撕裂的问题， 但是写操作依旧是可以拆分的） 而volatile可以确保这类操作的原子性， 但在多个变量之间或者是复合操作，volatile是无法保证原子性的， 比如a++，其实是三条指令， 分别是读取a，a+1 ， 写回a ； volatile是无法保证这三个操作是原子的。

根据happens-before原则， 一个volatile变量的写操作的结果可以被后续的volatile读操作看到，编译器会在编译中对volatile变量的写操作之后加上写内存屏障和在读操作之前加上读内存屏障，（看具体的策略， 最保守的策略会在读写操作的前后都加上屏障， 编译器会根据实际情况来优化， 在确保正确性的前提下提升执行效率） 写屏障会强制把写操作的结果刷入主存， 读屏障则会强制将主存中数据更新到本地内存， 确保了变量的可见性。 另外读屏障也可以确保读指令不被重排序到写操作之前， 写屏障也可以确保写指令不被重排序到读操作之前

如果你不需要确保整个临界区代码的原子性， 完全可以使用volatile来代替锁，更加轻量化，性能更好（没有上下文切换开销）

锁释放与volatile写有相同的内存语义（将数据刷入主存）， 锁获取与volatile读有相同的内存语义（从主存中读取数据更新本地内存）

JMM向程序员提供的happens-before规则来规范程序的内存可见性， 实际上JMM将happens-before要求禁止的重排序分为了两种，一种是会改变程序执行结果的重排序， 另一种是不会改变程序执行结果的重排序， 对于后一种重排序， JMM实际是允许的， 换句话说， happens-before的规则，和实际jmm执行的规则， 是有出入的

JMM遵循一个基本原则， 只要不改变程序的执行结果， 编译器和处理器怎么优化都行， 举个例子， 如果一个锁只会被单个线程访问，那么编译器会将这个锁消除掉， 称之为锁消除； 再比如， 如果一个volatile变量只会被单线程访问， 那么编译器就会把它当做一个普通变量来对待。