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在并發(fā)編程中，我們需要處理兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：線程之間如何通信及線程之間如何同步（這里的線程是指并發(fā)執(zhí)行的活動(dòng)實(shí)體）。通信是指線程之間以何種機(jī)制來(lái)交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機(jī)制有兩種：共享內(nèi)存和消息傳遞。
在共享內(nèi)存的并發(fā)模型里，線程之間共享程序的公共狀態(tài)，線程之間通過(guò)寫 - 讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)來(lái)隱式進(jìn)行通信。在消息傳遞的并發(fā)模型里，線程之間沒(méi)有公共狀態(tài)，線程之間必須通過(guò)明確的發(fā)送消息來(lái)顯式進(jìn)行通信。
同步是指程序用于控制不同線程之間操作發(fā)生相對(duì)順序的機(jī)制。在共享內(nèi)存并發(fā)模型里，同步是顯式進(jìn)行的。程序員必須顯式指定某個(gè)方法或某段代碼需要在線程之間互斥執(zhí)行。在消息傳遞的并發(fā)模型里，由于消息的發(fā)送必須在消息的接收之前，因此同步是隱式進(jìn)行的。
Java 的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型，Java 線程之間的通信總是隱式進(jìn)行，整個(gè)通信過(guò)程對(duì)程序員完全透明。如果編寫多線程程序的 Java 程序員不理解隱式進(jìn)行的線程之間通信的工作機(jī)制，很可能會(huì)遇到各種奇怪的內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題。
在 java 中，所有實(shí)例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中，堆內(nèi)存在線程之間共享（本文使用“共享變量”這個(gè)術(shù)語(yǔ)代指實(shí)例域，靜態(tài)域和數(shù)組元素）。局部變量（Local variables），方法定義參數(shù)（java 語(yǔ)言規(guī)范稱之為 formal method parameters）和異常處理器參數(shù)（exception handler parameters）不會(huì)在線程之間共享，它們不會(huì)有內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，也不受內(nèi)存模型的影響。
Java 線程之間的通信由 Java 內(nèi)存模型（本文簡(jiǎn)稱為 JMM）控制，JMM 決定一個(gè)線程對(duì)共享變量的寫入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見(jiàn)。從抽象的角度來(lái)看，JMM 定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：線程之間的共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存（main memory）中，每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存（local memory），本地內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程以讀 / 寫共享變量的副本。本地內(nèi)存是 JMM 的一個(gè)抽象概念，并不真實(shí)存在。它涵蓋了緩存，寫緩沖區(qū)，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。Java 內(nèi)存模型的抽象示意圖如下：
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從上圖來(lái)看，線程 A 與線程 B 之間如要通信的話，必須要經(jīng)歷下面 2 個(gè)步驟：
下面通過(guò)示意圖來(lái)說(shuō)明這兩個(gè)步驟：
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如上圖所示，本地內(nèi)存 A 和 B 有主內(nèi)存中共享變量 x 的副本。假設(shè)初始時(shí)，這三個(gè)內(nèi)存中的 x 值都為 0。線程 A 在執(zhí)行時(shí)，把更新后的 x 值（假設(shè)值為 1）臨時(shí)存放在自己的本地內(nèi)存 A 中。當(dāng)線程 A 和線程 B 需要通信時(shí)，線程 A 首先會(huì)把自己本地內(nèi)存中修改后的 x 值刷新到主內(nèi)存中，此時(shí)主內(nèi)存中的 x 值變?yōu)榱?1。隨后，線程 B 到主內(nèi)存中去讀取線程 A 更新后的 x 值，此時(shí)線程 B 的本地內(nèi)存的 x 值也變?yōu)榱?1。
從整體來(lái)看，這兩個(gè)步驟實(shí)質(zhì)上是線程 A 在向線程 B 發(fā)送消息，而且這個(gè)通信過(guò)程必須要經(jīng)過(guò)主內(nèi)存。JMM 通過(guò)控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互，來(lái)為 java 程序員提供內(nèi)存可見(jiàn)性保證。
在執(zhí)行程序時(shí)為了提高性能，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令做重排序。重排序分三種類型：
從 java 源代碼到最終實(shí)際執(zhí)行的指令序列，會(huì)分別經(jīng)歷下面三種重排序：
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上述的 1 屬于編譯器重排序，2 和 3 屬于處理器重排序。這些重排序都可能會(huì)導(dǎo)致多線程程序出現(xiàn)內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題。對(duì)于編譯器，JMM 的編譯器重排序規(guī)則會(huì)禁止特定類型的編譯器重排序（不是所有的編譯器重排序都要禁止）。對(duì)于處理器重排序，JMM 的處理器重排序規(guī)則會(huì)要求 java 編譯器在生成指令序列時(shí)，插入特定類型的內(nèi)存屏障（memory barriers，intel 稱之為 memory fence）指令，通過(guò)內(nèi)存屏障指令來(lái)禁止特定類型的處理器重排序（不是所有的處理器重排序都要禁止）。
JMM 屬于語(yǔ)言級(jí)的內(nèi)存模型，它確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺(tái)之上，通過(guò)禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序，為程序員提供一致的內(nèi)存可見(jiàn)性保證。
現(xiàn)代的處理器使用寫緩沖區(qū)來(lái)臨時(shí)保存向內(nèi)存寫入的數(shù)據(jù)。寫緩沖區(qū)可以保證指令流水線持續(xù)運(yùn)行，它可以避免由于處理器停頓下來(lái)等待向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的延遲。同時(shí)，通過(guò)以批處理的方式刷新寫緩沖區(qū)，以及合并寫緩沖區(qū)中對(duì)同一內(nèi)存地址的多次寫，可以減少對(duì)內(nèi)存總線的占用。雖然寫緩沖區(qū)有這么多好處，但每個(gè)處理器上的寫緩沖區(qū)，僅僅對(duì)它所在的處理器可見(jiàn)。這個(gè)特性會(huì)對(duì)內(nèi)存操作的執(zhí)行順序產(chǎn)生重要的影響：處理器對(duì)內(nèi)存的讀 / 寫操作的執(zhí)行順序，不一定與內(nèi)存實(shí)際發(fā)生的讀 / 寫操作順序一致！為了具體說(shuō)明，請(qǐng)看下面示例：
// Processor Aa = 1; //A1 x = b; //A2// Processor Bb = 2; //B1 y = a; //B2// 初始狀態(tài)：a = b = 0；處理器允許執(zhí)行后得到結(jié)果：x = y = 0假設(shè)處理器 A 和處理器 B 按程序的順序并行執(zhí)行內(nèi)存訪問(wèn)，最終卻可能得到 x = y = 0 的結(jié)果。具體的原因如下圖所示：
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這里處理器 A 和處理器 B 可以同時(shí)把共享變量寫入自己的寫緩沖區(qū)（A1，B1），然后從內(nèi)存中讀取另一個(gè)共享變量（A2，B2），最后才把自己寫緩存區(qū)中保存的臟數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中（A3，B3）。當(dāng)以這種時(shí)序執(zhí)行時(shí)，程序就可以得到 x = y = 0 的結(jié)果。
從內(nèi)存操作實(shí)際發(fā)生的順序來(lái)看，直到處理器 A 執(zhí)行 A3 來(lái)刷新自己的寫緩存區(qū)，寫操作 A1 才算真正執(zhí)行了。雖然處理器 A 執(zhí)行內(nèi)存操作的順序?yàn)椋篈1->A2，但內(nèi)存操作實(shí)際發(fā)生的順序卻是：A2->A1。此時(shí)，處理器 A 的內(nèi)存操作順序被重排序了（處理器 B 的情況和處理器 A 一樣，這里就不贅述了）。
這里的關(guān)鍵是，由于寫緩沖區(qū)僅對(duì)自己的處理器可見(jiàn)，它會(huì)導(dǎo)致處理器執(zhí)行內(nèi)存操作的順序可能會(huì)與內(nèi)存實(shí)際的操作執(zhí)行順序不一致。由于現(xiàn)代的處理器都會(huì)使用寫緩沖區(qū)，因此現(xiàn)代的處理器都會(huì)允許對(duì)寫 - 讀操做重排序。
下面是常見(jiàn)處理器允許的重排序類型的列表：
Load-Load | Load-Store | Store-Store | Store-Load | 數(shù)據(jù)依賴 | |
sparc-TSO | N | N | N | Y | N |
x86 | N | N | N | Y | N |
ia64 | Y | Y | Y | Y | N |
PowerPC | Y | Y | Y | Y | N |
上表單元格中的“N”表示處理器不允許兩個(gè)操作重排序，“Y”表示允許重排序。
從上表我們可以看出：常見(jiàn)的處理器都允許 Store-Load 重排序；常見(jiàn)的處理器都不允許對(duì)存在數(shù)據(jù)依賴的操作做重排序。sparc-TSO 和 x86 擁有相對(duì)較強(qiáng)的處理器內(nèi)存模型，它們僅允許對(duì)寫 - 讀操作做重排序（因?yàn)樗鼈兌际褂昧藢懢彌_區(qū)）。
為了保證內(nèi)存可見(jiàn)性，java 編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會(huì)插入內(nèi)存屏障指令來(lái)禁止特定類型的處理器重排序。JMM 把內(nèi)存屏障指令分為下列四類：
屏障類型 | 指令示例 | 說(shuō)明 |
LoadLoad Barriers | Load1; LoadLoad; Load2 | 確保 Load1 數(shù)據(jù)的裝載，之前于 Load2 及所有后續(xù)裝載指令的裝載。 |
StoreStore Barriers | Store1; StoreStore; Store2 | 確保 Store1 數(shù)據(jù)對(duì)其他處理器可見(jiàn)（刷新到內(nèi)存），之前于 Store2 及所有后續(xù)存儲(chǔ)指令的存儲(chǔ)。 |
LoadStore Barriers | Load1; LoadStore; Store2 | 確保 Load1 數(shù)據(jù)裝載，之前于 Store2 及所有后續(xù)的存儲(chǔ)指令刷新到內(nèi)存。 |
StoreLoad Barriers | Store1; StoreLoad; Load2 | 確保 Store1 數(shù)據(jù)對(duì)其他處理器變得可見(jiàn)（指刷新到內(nèi)存），之前于 Load2 及所有后續(xù)裝載指令的裝載。 |
StoreLoad Barriers 會(huì)使該屏障之前的所有內(nèi)存訪問(wèn)指令（存儲(chǔ)和裝載指令）完成之后，才執(zhí)行該屏障之后的內(nèi)存訪問(wèn)指令。
StoreLoad Barriers 是一個(gè)“全能型”的屏障，它同時(shí)具有其他三個(gè)屏障的效果。現(xiàn)代的多處理器大都支持該屏障（其他類型的屏障不一定被所有處理器支持）。執(zhí)行該屏障開銷會(huì)很昂貴，因?yàn)楫?dāng)前處理器通常要把寫緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部刷新到內(nèi)存中（buffer fully flush）。
從 JDK5 開始，java 使用新的 JSR -133 內(nèi)存模型（本文除非特別說(shuō)明，針對(duì)的都是 JSR- 133 內(nèi)存模型）。JSR-133 提出了 happens-before 的概念，通過(guò)這個(gè)概念來(lái)闡述操作之間的內(nèi)存可見(jiàn)性。如果一個(gè)操作執(zhí)行的結(jié)果需要對(duì)另一個(gè)操作可見(jiàn)，那么這兩個(gè)操作之間必須存在 happens-before 關(guān)系。這里提到的兩個(gè)操作既可以是在一個(gè)線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間。與程序員密切相關(guān)的 happens-before 規(guī)則如下：
注意，兩個(gè)操作之間具有 happens-before 關(guān)系，并不意味著前一個(gè)操作必須要在后一個(gè)操作之前執(zhí)行！happens-before 僅僅要求前一個(gè)操作（執(zhí)行的結(jié)果）對(duì)后一個(gè)操作可見(jiàn)，且前一個(gè)操作按順序排在第二個(gè)操作之前（the first is visible to and ordered before the second）。happens- before 的定義很微妙，后文會(huì)具體說(shuō)明 happens-before 為什么要這么定義。
happens-before 與 JMM 的關(guān)系如下圖所示：
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如上圖所示，一個(gè) happens-before 規(guī)則通常對(duì)應(yīng)于多個(gè)編譯器重排序規(guī)則和處理器重排序規(guī)則。對(duì)于 java 程序員來(lái)說(shuō)，happens-before 規(guī)則簡(jiǎn)單易懂，它避免程序員為了理解 JMM 提供的內(nèi)存可見(jiàn)性保證而去學(xué)習(xí)復(fù)雜的重排序規(guī)則以及這些規(guī)則的具體實(shí)現(xiàn)。
如果兩個(gè)操作訪問(wèn)同一個(gè)變量，且這兩個(gè)操作中有一個(gè)為寫操作，此時(shí)這兩個(gè)操作之間就存在數(shù)據(jù)依賴性。數(shù)據(jù)依賴分下列三種類型：
名稱 | 代碼示例 | 說(shuō)明 |
寫后讀 | a = 1;b = a; | 寫一個(gè)變量之后，再讀這個(gè)位置。 |
寫后寫 | a = 1;a = 2; | 寫一個(gè)變量之后，再寫這個(gè)變量。 |
讀后寫 | a = b;b = 1; | 讀一個(gè)變量之后，再寫這個(gè)變量。 |
上面三種情況，只要重排序兩個(gè)操作的執(zhí)行順序，程序的執(zhí)行結(jié)果將會(huì)被改變。
前面提到過(guò)，編譯器和處理器可能會(huì)對(duì)操作做重排序。編譯器和處理器在重排序時(shí)，會(huì)遵守?cái)?shù)據(jù)依賴性，編譯器和處理器不會(huì)改變存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的兩個(gè)操作的執(zhí)行順序。
注意，這里所說(shuō)的數(shù)據(jù)依賴性僅針對(duì)單個(gè)處理器中執(zhí)行的指令序列和單個(gè)線程中執(zhí)行的操作，不同處理器之間和不同線程之間的數(shù)據(jù)依賴性不被編譯器和處理器考慮。
as-if-serial 語(yǔ)義的意思指：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度），（單線程）程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。編譯器，runtime 和處理器都必須遵守 as-if-serial 語(yǔ)義。
為了遵守 as-if-serial 語(yǔ)義，編譯器和處理器不會(huì)對(duì)存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作做重排序，因?yàn)檫@種重排序會(huì)改變執(zhí)行結(jié)果。但是，如果操作之間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，這些操作可能被編譯器和處理器重排序。為了具體說(shuō)明，請(qǐng)看下面計(jì)算圓面積的代碼示例：
double pi = 3.14; //Adouble r = 1.0; //Bdouble area = pi * r * r; //C上面三個(gè)操作的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系如下圖所示：
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如上圖所示，A 和 C 之間存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，同時(shí) B 和 C 之間也存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。因此在最終執(zhí)行的指令序列中，C 不能被重排序到 A 和 B 的前面（C 排到 A 和 B 的前面，程序的結(jié)果將會(huì)被改變）。但 A 和 B 之間沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可以重排序 A 和 B 之間的執(zhí)行順序。下圖是該程序的兩種執(zhí)行順序：
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as-if-serial 語(yǔ)義把單線程程序保護(hù)了起來(lái)，遵守 as-if-serial 語(yǔ)義的編譯器，runtime 和處理器共同為編寫單線程程序的程序員創(chuàng)建了一個(gè)幻覺(jué)：?jiǎn)尉€程程序是按程序的順序來(lái)執(zhí)行的。as-if-serial 語(yǔ)義使單線程程序員無(wú)需擔(dān)心重排序會(huì)干擾他們，也無(wú)需擔(dān)心內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題。
根據(jù) happens- before 的程序順序規(guī)則，上面計(jì)算圓的面積的示例代碼存在三個(gè) happens- before 關(guān)系：
這里的第 3 個(gè) happens- before 關(guān)系，是根據(jù) happens- before 的傳遞性推導(dǎo)出來(lái)的。
這里 A happens- before B，但實(shí)際執(zhí)行時(shí) B 卻可以排在 A 之前執(zhí)行（看上面的重排序后的執(zhí)行順序）。在第一章提到過(guò)，如果 A happens- before B，JMM 并不要求 A 一定要在 B 之前執(zhí)行。JMM 僅僅要求前一個(gè)操作（執(zhí)行的結(jié)果）對(duì)后一個(gè)操作可見(jiàn)，且前一個(gè)操作按順序排在第二個(gè)操作之前。這里操作 A 的執(zhí)行結(jié)果不需要對(duì)操作 B 可見(jiàn)；而且重排序操作 A 和操作 B 后的執(zhí)行結(jié)果，與操作 A 和操作 B 按 happens- before 順序執(zhí)行的結(jié)果一致。在這種情況下，JMM 會(huì)認(rèn)為這種重排序并不非法（not illegal），JMM 允許這種重排序。
在計(jì)算機(jī)中，軟件技術(shù)和硬件技術(shù)有一個(gè)共同的目標(biāo)：在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能的開發(fā)并行度。編譯器和處理器遵從這一目標(biāo)，從 happens- before 的定義我們可以看出，JMM 同樣遵從這一目標(biāo)。
現(xiàn)在讓我們來(lái)看看，重排序是否會(huì)改變多線程程序的執(zhí)行結(jié)果。請(qǐng)看下面的示例代碼：
class ReorderExample { int a = 0; boolean flag = false; public void writer() { a = 1; //1 flag = true; //2 } Public void reader() { if (flag) { //3 int i = a * a; //4 …… } }}flag 變量是個(gè)標(biāo)記，用來(lái)標(biāo)識(shí)變量 a 是否已被寫入。這里假設(shè)有兩個(gè)線程 A 和 B，A 首先執(zhí)行 writer() 方法，隨后 B 線程接著執(zhí)行 reader() 方法。線程 B 在執(zhí)行操作 4 時(shí)，能否看到線程 A 在操作 1 對(duì)共享變量 a 的寫入?
答案是：不一定能看到。
由于操作 1 和操作 2 沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可以對(duì)這兩個(gè)操作重排序；同樣，操作 3 和操作 4 沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器也可以對(duì)這兩個(gè)操作重排序。讓我們先來(lái)看看，當(dāng)操作 1 和操作 2 重排序時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生什么效果? 請(qǐng)看下面的程序執(zhí)行時(shí)序圖：
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如上圖所示，操作 1 和操作 2 做了重排序。程序執(zhí)行時(shí)，線程 A 首先寫標(biāo)記變量 flag，隨后線程 B 讀這個(gè)變量。由于條件判斷為真，線程 B 將讀取變量 a。此時(shí)，變量 a 還根本沒(méi)有被線程 A 寫入，在這里多線程程序的語(yǔ)義被重排序破壞了！
※注：本文統(tǒng)一用紅色的虛箭線表示錯(cuò)誤的讀操作，用綠色的虛箭線表示正確的讀操作。
下面再讓我們看看，當(dāng)操作 3 和操作 4 重排序時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么效果（借助這個(gè)重排序，可以順便說(shuō)明控制依賴性）。下面是操作 3 和操作 4 重排序后，程序的執(zhí)行時(shí)序圖：
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在程序中，操作 3 和操作 4 存在控制依賴關(guān)系。當(dāng)代碼中存在控制依賴性時(shí)，會(huì)影響指令序列執(zhí)行的并行度。為此，編譯器和處理器會(huì)采用猜測(cè)（Speculation）執(zhí)行來(lái)克服控制相關(guān)性對(duì)并行度的影響。以處理器的猜測(cè)執(zhí)行為例，執(zhí)行線程 B 的處理器可以提前讀取并計(jì)算 a*a，然后把計(jì)算結(jié)果臨時(shí)保存到一個(gè)名為重排序緩沖（reorder buffer ROB）的硬件緩存中。當(dāng)接下來(lái)操作 3 的條件判斷為真時(shí)，就把該計(jì)算結(jié)果寫入變量 i 中。
從圖中我們可以看出，猜測(cè)執(zhí)行實(shí)質(zhì)上對(duì)操作 3 和 4 做了重排序。重排序在這里破壞了多線程程序的語(yǔ)義！
在單線程程序中，對(duì)存在控制依賴的操作重排序，不會(huì)改變執(zhí)行結(jié)果（這也是 as-if-serial 語(yǔ)義允許對(duì)存在控制依賴的操作做重排序的原因）；但在多線程程序中，對(duì)存在控制依賴的操作重排序，可能會(huì)改變程序的執(zhí)行結(jié)果。
當(dāng)程序未正確同步時(shí)，就會(huì)存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。java 內(nèi)存模型規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的定義如下：
當(dāng)代碼中包含數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，程序的執(zhí)行往往產(chǎn)生違反直覺(jué)的結(jié)果（前一章的示例正是如此）。如果一個(gè)多線程程序能正確同步，這個(gè)程序?qū)⑹且粋€(gè)沒(méi)有數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的程序。
JMM 對(duì)正確同步的多線程程序的內(nèi)存一致性做了如下保證：
順序一致性內(nèi)存模型是一個(gè)被計(jì)算機(jī)科學(xué)家理想化了的理論參考模型，它為程序員提供了極強(qiáng)的內(nèi)存可見(jiàn)性保證。順序一致性內(nèi)存模型有兩大特性：
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在概念上，順序一致性模型有一個(gè)單一的全局內(nèi)存，這個(gè)內(nèi)存通過(guò)一個(gè)左右擺動(dòng)的開關(guān)可以連接到任意一個(gè)線程。同時(shí)，每一個(gè)線程必須按程序的順序來(lái)執(zhí)行內(nèi)存讀 / 寫操作。從上圖我們可以看出，在任意時(shí)間點(diǎn)最多只能有一個(gè)線程可以連接到內(nèi)存。當(dāng)多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行時(shí)，圖中的開關(guān)裝置能把所有線程的所有內(nèi)存讀 / 寫操作串行化。
為了更好的理解，下面我們通過(guò)兩個(gè)示意圖來(lái)對(duì)順序一致性模型的特性做進(jìn)一步的說(shuō)明。
假設(shè)有兩個(gè)線程 A 和 B 并發(fā)執(zhí)行。其中 A 線程有三個(gè)操作，它們?cè)诔绦蛑械捻樞蚴牵篈1->A2->A3。B 線程也有三個(gè)操作，它們?cè)诔绦蛑械捻樞蚴牵築1->B2->B3。
假設(shè)這兩個(gè)線程使用監(jiān)視器來(lái)正確同步：A 線程的三個(gè)操作執(zhí)行后釋放監(jiān)視器，隨后 B 線程獲取同一個(gè)監(jiān)視器。那么程序在順序一致性模型中的執(zhí)行效果將如下圖所示：
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現(xiàn)在我們?cè)偌僭O(shè)這兩個(gè)線程沒(méi)有做同步，下面是這個(gè)未同步程序在順序一致性模型中的執(zhí)行示意圖：
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未同步程序在順序一致性模型中雖然整體執(zhí)行順序是無(wú)序的，但所有線程都只能看到一個(gè)一致的整體執(zhí)行順序。以上圖為例，線程 A 和 B 看到的執(zhí)行順序都是：B1->A1->A2->B2->A3->B3。之所以能得到這個(gè)保證是因?yàn)轫樞蛞恢滦詢?nèi)存模型中的每個(gè)操作必須立即對(duì)任意線程可見(jiàn)。
但是，在 JMM 中就沒(méi)有這個(gè)保證。未同步程序在 JMM 中不但整體的執(zhí)行順序是無(wú)序的，而且所有線程看到的操作執(zhí)行順序也可能不一致。比如，在當(dāng)前線程把寫過(guò)的數(shù)據(jù)緩存在本地內(nèi)存中，且還沒(méi)有刷新到主內(nèi)存之前，這個(gè)寫操作僅對(duì)當(dāng)前線程可見(jiàn)；從其他線程的角度來(lái)觀察，會(huì)認(rèn)為這個(gè)寫操作根本還沒(méi)有被當(dāng)前線程執(zhí)行。只有當(dāng)前線程把本地內(nèi)存中寫過(guò)的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存之后，這個(gè)寫操作才能對(duì)其他線程可見(jiàn)。在這種情況下，當(dāng)前線程和其它線程看到的操作執(zhí)行順序?qū)⒉灰恢隆?span style="display:none">ZCT28資訊網(wǎng)——每日最新資訊28at.com
下面我們對(duì)前面的示例程序 ReorderExample 用監(jiān)視器來(lái)同步，看看正確同步的程序如何具有順序一致性。
請(qǐng)看下面的示例代碼：
class SynchronizedExample { int a = 0; boolean flag = false; public synchronized void writer() { a = 1; flag = true; } public synchronized void reader() { if (flag) { int i = a; …… } }}上面示例代碼中，假設(shè) A 線程執(zhí)行 writer() 方法后，B 線程執(zhí)行 reader() 方法。這是一個(gè)正確同步的多線程程序。根據(jù) JMM 規(guī)范，該程序的執(zhí)行結(jié)果將與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果相同。下面是該程序在兩個(gè)內(nèi)存模型中的執(zhí)行時(shí)序?qū)Ρ葓D：
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在順序一致性模型中，所有操作完全按程序的順序串行執(zhí)行。而在 JMM 中，臨界區(qū)內(nèi)的代碼可以重排序（但 JMM 不允許臨界區(qū)內(nèi)的代碼“逸出”到臨界區(qū)之外，那樣會(huì)破壞監(jiān)視器的語(yǔ)義）。JMM 會(huì)在退出監(jiān)視器和進(jìn)入監(jiān)視器這兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)做一些特別處理，使得線程在這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)具有與順序一致性模型相同的內(nèi)存視圖（具體細(xì)節(jié)后文會(huì)說(shuō)明）。雖然線程 A 在臨界區(qū)內(nèi)做了重排序，但由于監(jiān)視器的互斥執(zhí)行的特性，這里的線程 B 根本無(wú)法“觀察”到線程 A 在臨界區(qū)內(nèi)的重排序。這種重排序既提高了執(zhí)行效率，又沒(méi)有改變程序的執(zhí)行結(jié)果。
從這里我們可以看到 JMM 在具體實(shí)現(xiàn)上的基本方針：在不改變（正確同步的）程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能的為編譯器和處理器的優(yōu)化打開方便之門。
對(duì)于未同步或未正確同步的多線程程序，JMM 只提供最小安全性：線程執(zhí)行時(shí)讀取到的值，要么是之前某個(gè)線程寫入的值，要么是默認(rèn)值（0，null，false），JMM 保證線程讀操作讀取到的值不會(huì)無(wú)中生有（out of thin air）的冒出來(lái)。為了實(shí)現(xiàn)最小安全性，JVM 在堆上分配對(duì)象時(shí)，首先會(huì)清零內(nèi)存空間，然后才會(huì)在上面分配對(duì)象（JVM 內(nèi)部會(huì)同步這兩個(gè)操作）。因此，在以清零的內(nèi)存空間（pre-zeroed memory）分配對(duì)象時(shí)，域的默認(rèn)初始化已經(jīng)完成了。
JMM 不保證未同步程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果一致。因?yàn)槲赐匠绦蛟陧樞蛞恢滦阅Ｐ椭袌?zhí)行時(shí)，整體上是無(wú)序的，其執(zhí)行結(jié)果無(wú)法預(yù)知。保證未同步程序在兩個(gè)模型中的執(zhí)行結(jié)果一致毫無(wú)意義。
和順序一致性模型一樣，未同步程序在 JMM 中的執(zhí)行時(shí)，整體上也是無(wú)序的，其執(zhí)行結(jié)果也無(wú)法預(yù)知。同時(shí)，未同步程序在這兩個(gè)模型中的執(zhí)行特性有下面幾個(gè)差異：
第 3 個(gè)差異與處理器總線的工作機(jī)制密切相關(guān)。在計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)通過(guò)總線在處理器和內(nèi)存之間傳遞。每次處理器和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳遞都是通過(guò)一系列步驟來(lái)完成的，這一系列步驟稱之為總線事務(wù)（bus transaction）。總線事務(wù)包括讀事務(wù)（read transaction）和寫事務(wù)（write transaction）。讀事務(wù)從內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)到處理器，寫事務(wù)從處理器傳送數(shù)據(jù)到內(nèi)存，每個(gè)事務(wù)會(huì)讀 / 寫內(nèi)存中一個(gè)或多個(gè)物理上連續(xù)的字。這里的關(guān)鍵是，總線會(huì)同步試圖并發(fā)使用總線的事務(wù)。在一個(gè)處理器執(zhí)行總線事務(wù)期間，總線會(huì)禁止其它所有的處理器和 I/O 設(shè)備執(zhí)行內(nèi)存的讀 / 寫。下面讓我們通過(guò)一個(gè)示意圖來(lái)說(shuō)明總線的工作機(jī)制：
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如上圖所示，假設(shè)處理器 A，B 和 C 同時(shí)向總線發(fā)起總線事務(wù)，這時(shí)總線仲裁（bus arbitration）會(huì)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)作出裁決，這里我們假設(shè)總線在仲裁后判定處理器 A 在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝（總線仲裁會(huì)確保所有處理器都能公平的訪問(wèn)內(nèi)存）。此時(shí)處理器 A 繼續(xù)它的總線事務(wù)，而其它兩個(gè)處理器則要等待處理器 A 的總線事務(wù)完成后才能開始再次執(zhí)行內(nèi)存訪問(wèn)。假設(shè)在處理器 A 執(zhí)行總線事務(wù)期間（不管這個(gè)總線事務(wù)是讀事務(wù)還是寫事務(wù)），處理器 D 向總線發(fā)起了總線事務(wù)，此時(shí)處理器 D 的這個(gè)請(qǐng)求會(huì)被總線禁止。
總線的這些工作機(jī)制可以把所有處理器對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)以串行化的方式來(lái)執(zhí)行；在任意時(shí)間點(diǎn)，最多只能有一個(gè)處理器能訪問(wèn)內(nèi)存。這個(gè)特性確保了單個(gè)總線事務(wù)之中的內(nèi)存讀 / 寫操作具有原子性。
在一些 32 位的處理器上，如果要求對(duì) 64 位數(shù)據(jù)的讀 / 寫操作具有原子性，會(huì)有比較大的開銷。為了照顧這種處理器，java 語(yǔ)言規(guī)范鼓勵(lì)但不強(qiáng)求 JVM 對(duì) 64 位的 long 型變量和 double 型變量的讀 / 寫具有原子性。當(dāng) JVM 在這種處理器上運(yùn)行時(shí)，會(huì)把一個(gè) 64 位 long/ double 型變量的讀 / 寫操作拆分為兩個(gè) 32 位的讀 / 寫操作來(lái)執(zhí)行。這兩個(gè) 32 位的讀 / 寫操作可能會(huì)被分配到不同的總線事務(wù)中執(zhí)行，此時(shí)對(duì)這個(gè) 64 位變量的讀 / 寫將不具有原子性。
當(dāng)單個(gè)內(nèi)存操作不具有原子性，將可能會(huì)產(chǎn)生意想不到后果。請(qǐng)看下面示意圖：
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如上圖所示，假設(shè)處理器 A 寫一個(gè) long 型變量，同時(shí)處理器 B 要讀這個(gè) long 型變量。處理器 A 中 64 位的寫操作被拆分為兩個(gè) 32 位的寫操作，且這兩個(gè) 32 位的寫操作被分配到不同的寫事務(wù)中執(zhí)行。同時(shí)處理器 B 中 64 位的讀操作被拆分為兩個(gè) 32 位的讀操作，且這兩個(gè) 32 位的讀操作被分配到同一個(gè)的讀事務(wù)中執(zhí)行。當(dāng)處理器 A 和 B 按上圖的時(shí)序來(lái)執(zhí)行時(shí)，處理器 B 將看到僅僅被處理器 A“寫了一半“的無(wú)效值。
順序一致性內(nèi)存模型是一個(gè)理論參考模型，JMM 和處理器內(nèi)存模型在設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)把順序一致性內(nèi)存模型作為參照。JMM 和處理器內(nèi)存模型在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)對(duì)順序一致性模型做一些放松，因?yàn)槿绻耆凑枕樞蛞恢滦阅Ｐ蛠?lái)實(shí)現(xiàn)處理器和 JMM，那么很多的處理器和編譯器優(yōu)化都要被禁止，這對(duì)執(zhí)行性能將會(huì)有很大的影響。
根據(jù)對(duì)不同類型讀 / 寫操作組合的執(zhí)行順序的放松，可以把常見(jiàn)處理器的內(nèi)存模型劃分為下面幾種類型：
注意，這里處理器對(duì)讀 / 寫操作的放松，是以兩個(gè)操作之間不存在數(shù)據(jù)依賴性為前提的（因?yàn)樘幚砥饕袷?as-if-serial 語(yǔ)義，處理器不會(huì)對(duì)存在數(shù)據(jù)依賴性的兩個(gè)內(nèi)存操作做重排序）。
下面的表格展示了常見(jiàn)處理器內(nèi)存模型的細(xì)節(jié)特征：
內(nèi)存模型名稱 | 對(duì)應(yīng)的處理器 | Store-Load 重排序 | Store-Store 重排序 | Load-Load 和 Load-Store 重排序 | 可以更早讀取到其它處理器的寫 | 可以更早讀取到當(dāng)前處理器的寫 |
TSO | sparc-TSO X64 | Y | Y | |||
PSO | sparc-PSO | Y | Y | Y | ||
RMO | ia64 | Y | Y | Y | Y | |
PowerPC | PowerPC | Y | Y | Y | Y | Y |
在這個(gè)表格中，我們可以看到所有處理器內(nèi)存模型都允許寫 - 讀重排序，原因在第一章以說(shuō)明過(guò)：它們都使用了寫緩存區(qū)，寫緩存區(qū)可能導(dǎo)致寫 - 讀操作重排序。同時(shí)，我們可以看到這些處理器內(nèi)存模型都允許更早讀到當(dāng)前處理器的寫，原因同樣是因?yàn)閷懢彺鎱^(qū)：由于寫緩存區(qū)僅對(duì)當(dāng)前處理器可見(jiàn)，這個(gè)特性導(dǎo)致當(dāng)前處理器可以比其他處理器先看到臨時(shí)保存在自己的寫緩存區(qū)中的寫。
上面表格中的各種處理器內(nèi)存模型，從上到下，模型由強(qiáng)變?nèi)酢Ｔ绞亲非笮阅艿奶幚砥鳎瑑?nèi)存模型設(shè)計(jì)的會(huì)越弱。因?yàn)檫@些處理器希望內(nèi)存模型對(duì)它們的束縛越少越好，這樣它們就可以做盡可能多的優(yōu)化來(lái)提高性能。
由于常見(jiàn)的處理器內(nèi)存模型比 JMM 要弱，java 編譯器在生成字節(jié)碼時(shí)，會(huì)在執(zhí)行指令序列的適當(dāng)位置插入內(nèi)存屏障來(lái)限制處理器的重排序。同時(shí)，由于各種處理器內(nèi)存模型的強(qiáng)弱并不相同，為了在不同的處理器平臺(tái)向程序員展示一個(gè)一致的內(nèi)存模型，JMM 在不同的處理器中需要插入的內(nèi)存屏障的數(shù)量和種類也不相同。下圖展示了 JMM 在不同處理器內(nèi)存模型中需要插入的內(nèi)存屏障的示意圖：
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如上圖所示，JMM 屏蔽了不同處理器內(nèi)存模型的差異，它在不同的處理器平臺(tái)之上為 java 程序員呈現(xiàn)了一個(gè)一致的內(nèi)存模型。
JMM 是一個(gè)語(yǔ)言級(jí)的內(nèi)存模型，處理器內(nèi)存模型是硬件級(jí)的內(nèi)存模型，順序一致性內(nèi)存模型是一個(gè)理論參考模型。下面是語(yǔ)言內(nèi)存模型，處理器內(nèi)存模型和順序一致性內(nèi)存模型的強(qiáng)弱對(duì)比示意圖：
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從上圖我們可以看出：常見(jiàn)的 4 種處理器內(nèi)存模型比常用的 3 中語(yǔ)言內(nèi)存模型要弱，處理器內(nèi)存模型和語(yǔ)言內(nèi)存模型都比順序一致性內(nèi)存模型要弱。同處理器內(nèi)存模型一樣，越是追求執(zhí)行性能的語(yǔ)言，內(nèi)存模型設(shè)計(jì)的會(huì)越弱。
從 JMM 設(shè)計(jì)者的角度來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì) JMM 時(shí)，需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵因素：
由于這兩個(gè)因素互相矛盾，所以 JSR-133 專家組在設(shè)計(jì) JMM 時(shí)的核心目標(biāo)就是找到一個(gè)好的平衡點(diǎn)：一方面要為程序員提供足夠強(qiáng)的內(nèi)存可見(jiàn)性保證；另一方面，對(duì)編譯器和處理器的限制要盡可能的放松。下面讓我們看看 JSR-133 是如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的。
為了具體說(shuō)明，請(qǐng)看前面提到過(guò)的計(jì)算圓面積的示例代碼：
double pi = 3.14; //Adouble r = 1.0; //Bdouble area = pi * r * r; //C上面計(jì)算圓的面積的示例代碼存在三個(gè) happens- before 關(guān)系：
由于 A happens- before B，happens- before 的定義會(huì)要求：A 操作執(zhí)行的結(jié)果要對(duì) B 可見(jiàn)，且 A 操作的執(zhí)行順序排在 B 操作之前。但是從程序語(yǔ)義的角度來(lái)說(shuō)，對(duì) A 和 B 做重排序即不會(huì)改變程序的執(zhí)行結(jié)果，也還能提高程序的執(zhí)行性能（允許這種重排序減少了對(duì)編譯器和處理器優(yōu)化的束縛）。也就是說(shuō)，上面這 3 個(gè) happens- before 關(guān)系中，雖然 2 和 3 是必需要的，但 1 是不必要的。因此，JMM 把 happens- before 要求禁止的重排序分為了下面兩類：
JMM 對(duì)這兩種不同性質(zhì)的重排序，采取了不同的策略：
下面是 JMM 的設(shè)計(jì)示意圖：
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從上圖可以看出兩點(diǎn)：
Java 程序的內(nèi)存可見(jiàn)性保證按程序類型可以分為下列三類：
下圖展示了這三類程序在 JMM 中與在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果的異同：
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只要多線程程序是正確同步的，JMM 保證該程序在任意的處理器平臺(tái)上的執(zhí)行結(jié)果，與該程序在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果一致。
JSR-133 對(duì) JDK5 之前的舊內(nèi)存模型的修補(bǔ)主要有兩個(gè)：
本文鏈接：http://www.www897cc.com/showinfo-26-59660-0.html一文搞懂什么是JMM重排序、內(nèi)存屏障、順序一致性
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