Java并发编程的艺术（四）——JMM、重排序、happens-before

什么是JMM

JMM就是Java内存模型。目的是为了屏蔽系统和硬件的差异，让同一代码在不同平台下能够达到相同的访问结果。规定了线程和内存之间的关系。

内存划分

JMM规定了内存主要划分为主内存和工作内存。

如果Java线程都去操作主内存，对性能的影响就很大，如果每个线程都具有自己的工作内存，然后再将工作内存与主内存进行同步，就能提高性能。

这也会带来很多副作用，就是线程对内存的可见性问题，线程安全的问题。

JMM与JVM区别

不用Java虚拟机的内存区域划分，是两种逻辑的存在，是不同层次的划分结果。侧重点各有不同。主内存可以对应Java堆中的对象实例部分，工作内存可以对应栈中的部分。更低层次地来说，主内存对应硬件的物理内存，工作内存对应的是寄存器和高速缓存。

重排序

什么是重排序

重排序是编译器和处理器为了优化程序性能，对指令序列进行重新排序的行为。

重排序分类

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，对语句的执行顺序进行排序。
2. 指令级并行重排序：采用指令级并行技术将多条指令重叠执行，如果不存在数据依赖性，则处理器可以改变指令的执行顺序。
3. 内存系统的重排序：处理器使用缓存和读写缓冲器，为了提高内存的读写性能，指令数据进行排序。

1属于编译器重排序，2和3处于处理器重排序。

重排序的问题

• 重排序可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。编译器排序规则需要禁止特定类型的编译器重排序。处理器排序规则需要插入特定得内存屏障来禁止特定得处理器重排序。

数据依赖性

如果两个操作同时访问一个变量，而且这两个操作中有写，那么这两个操作就存在数据依赖性。

广义的说，如果改变了两个操作的顺序，就会出现不同的执行结果，那么就存在数据依赖。

对于有数据依赖的执行，不会发生重排序。

as-if-serial

as-if-serial语义的意思是：不管怎么重排序，单线程程序执行的结果不能被改变。处理器和编译器不会对存在数据依赖的执行进行重排序。

happens-before

在JMM中，如果一个操作的执行结果需要对另一个线程可见，那么这两个操作需要存在happens-before关系。可以是一个线程内的，也可以多线程。

happens-before 规则

• 程序顺序规则：一个线程中的每一个操作，执行顺序与程序的的书写书顺序一致。
• 管程锁定规则：一个解锁操作一定发生于下一次加锁之前。所以，synchronized同步的时候，所内的执行代码对后续同步该锁的线程是完全可见的。
• volatile变量规则：对于一个volatile变量的写，先行发生在后续对这个变量的读。
• 传递性：如果A操作先于B，B操作先于C，则A先于C。
• 线程启动规则：Thread对象的start方法先行发生于这个线程的后续动作。
• 线程中止规则：Thread对象的中止检测（如：Thread.join()，Thread.isAlive()等）操作，必行晚于线程中所有操作。
• 线程中断规则：对线程的interruption（）调用，先于被调用的线程检测中断事件(Thread.interrupted())的发生。
• 对象中止规则：一个对象的初始化方法先于一个方法执行Finalizer()方法

两个操作具有happens-before关系不是要求这个两个对象的执行顺序，而是仅仅要求前一个操作的执行结果对后一个操作可见。