1. JMM内存模型

1.1 java内存模型和硬件架构模型

内部Java内存模型 JVM内部使用的是java内存模型在线程堆栈和堆之间分配内存。如下图所示：

如果把线程堆栈的调用过程考虑进来，那么就得到如下图所示：

jvm内存模型满足以下特性：

局部变量如果是原始类型（int、double 、byte等），则完全在线程栈中分配内存。
局部变量如果是引用类型（Integer、Double、Object等），局部变量对象的引用存储在线程栈中，而对象本身存储在堆中。
对象的成员变量和对象本身存储在堆中。
静态类变量也与类定义一起存储在堆中。 5.多个不同线程的局部变量可以对堆中同一个对象的引用。

硬件内存架构 现代硬件内存体系结构与内部Java内存模型有所不同。硬件架构内存模型是计算机真是存在物体体系架构；而java内存模型是JVM抽象模型。具体的硬件架构如下所示：

现代计算机中一般会有多个CPU或者多核CPU，因此存在同时运行多个线程的情况。每个CPU有一组寄存器，CPU寄存器本质上是CPU内存。CPU在寄存器上的执行速度要远快于在主内存上的执行速度。

每个CPU可能还会存在高速缓存层。实际上，大多数现代CPU都具有一定大小的缓存层。CPU可以比其主存储器更快地访问其高速缓存，但是通常不如它可以访问其内部寄存器的速度快。比如，我的计算机是有三级缓存，如下所示：

综上所述，CPU执行速度：寄存器>CPU缓存>主存储器。

结合Java内存模型和硬件内存体系结构 java内存模型和硬件内存体系是不同的。硬件内存架构是不区分栈和堆的。在硬件上，线程的栈和堆都位于主内存中，有时部分栈和堆还会出现在CPU缓存或者寄存器中。如下所示：

1.2 线程共享数据

线程共享数据主要包括以下数据：

存储在主内存中的共享变量。

1.3 线程私有数据

局部变量。
程序计数器。
共享变量的副本。

1.4 工作内存和主内存通信

主内存：所有变量存储的位置。对应物理硬件的内存RAM。
工作内存：是JVM针对线程抽象出来的概念，并不是真实存在的。它主要是线程用于保存共享变量副本，JVM可能会优先让工作内存存储于寄存器或者工作CPU高速缓存中。
线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。
线程之间不能访问对方工作内存中的变量，线程之间变量值的传递必须通过主内存来完成。

JVM内存交互协议 线程和主内存之间的交互过程rux如下所示：

java内存模型定义了一个8种操作来完成线程之间的交互，如下：

lock ：作用于主内存变量，表示一个线程独占一个变量，其他线程不可占用。
unlock : 作用于主内存变量，解除一个变量的锁定状态，解除后其他线程才可以占用。
read ：作用于主内存变量，把主内存中的变量值传输到线程工作内存中去。
load : 作用于工作内存变量，将 read操作得到的变量值赋值工作内存中变量副本。
use : 作用于工作内存变量，将工作内存中的变量传送给执行引擎
assign : 作用于工作内存变量,将执行引擎得到的值赋给工作内存变量副本。
store：作用工作内存变量，将工作内存变量副本值传回到主内存中。
write ：作用于主内存变量，将工作内存中传回的变量值放到主内存中的变量。

2. 重排序

为什么要指令重排序？ 在java中，java编译的过程中和处理器执行指令过程中可能会出现指令重排序。指令重排的作用是提升程序的执行效率。因为CPU执行指令，本质上是流水线作业，可以通过调整执行的顺序来优化工作的路程，从而提升程序的执行效率。 代码片段1

int a = 1;
int b = 1;
a = a + 1;
b = b +1 ;

代码片段2

int a = 1;
a = a + 1;
int b = 1;
b = b +1 ;

从上面的两段代码中，我们知道代码片段2的执行效率会高于代码片段1；因为代码片段2把相似功能单元的指令接连执行来减少流水线中断的情况。

编译器重排序会按JMM的规范严格进行，换言之编译器重排序一般不会对程序的正确逻辑造成影响。但是处理器重排序就需要使用到内存屏障了。

指令重排遵循的规则 单线程情况下，当存在数据依赖时，指令不会发生重排。如下情形所示：

先读后写：a = b;b = 1;
先写后读：a = 1;b = a;
先写后写：a=1;a=2;

以上情况，指令不会重排；但是在多线程环境下失效。

什么情形需要禁止指令重排？ 在多线程环境时，指令重排会产生不确定的执行效果。如下面代码所示：

public 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
            System.out.println(i);
        }
    }

}

说明：由于1和2是没有数据依赖的，故可能会发生指令重排的；如果执行的指令重排，则执行的结果就有多种结果了。因此，在多线程环境中，需要注意指令重排造成的逻辑不一致的问题。

如何防止指令重排 在java中，volatile关键字可以保证变量的可见性和防止指令重排。关于volatile详细用法，这里暂时不展开阐述。

什么是内存屏障？ 内存屏障是jvm中的一种规则，是一种CPU指令；用于控制特定条件下的重排序和内存可见性问题。Java编译器也会根据内存屏障的规则禁止重排序。volatile关键字就是通过内存屏障实现了可见性和有序性。

3. happens-before原则

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于随后对这个锁的加锁。
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。
线程启动规则：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。
线程终结规则：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-6 before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。
传递性规则：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

zgq105 / blog

Java并发-并发理论（JMM） #90