【笔记】深入理解Java内存模型（一）——基础
@(读书笔记)[Java,Java内存,并发编程]
声明：尊重原作，本文只是读书笔记，所有版权均属于原作
原文地址：http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-1
后续阅读：
http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-2
http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-3
http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-4
http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-5
http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-6
http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-7
- 并发编程需要处理两个关键问题，线程之间如何通信和线程之间如何同步，这里的线程指的是并发执行的活动实体。
- 在命令式编程中，线程之间通信机制有两种：
共享内存和消息传递。 - 共享内存的并发模型中，线程之间通过读-写内存中的公共状态来
隐式进行通信。而对于消息传递的并发模型，线程之间没有公共状态，线程之间的通信方式是显式进行的。 同步是指程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。在共享内存并发模型里，同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或者某段代码需要在线程之间互斥执行。在消息传递的并发模型里，由于消息的发送必须在消息接收之前，因此同步是隐式进行的。- java的并发采用的是
共享内存模型，java线程之间通信总是隐式进行的，整个通信过程对外界透明。如果编写多线程程序的Java程序员不理解隐式进行的线程之间通信的工作机制，很可能会遇到各种奇怪的内存可见性问题。 - 所有实例域、静态域和数组元素存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享。局部变量、方法定义参数和异常处理器参数不会在线程之间共享，不会有内存可见性问题，也不会受内存模型的影响。
- java线程之间的通信有java内存模型（JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另外一个线程可见。抽象来说，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存中，每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存存储了线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓存区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。Java内存模型的抽象示意图如下：
- 从上图来看，线程A和线程B通信，需要经历：
- 线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中。
- 线程B到主内存中去读取更新过的共享变量。
- 参见示意图：
这两个步骤实际在干的事情就是通过主内存做中转，来实现线程之间通信。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存的交互，来为java程序员提供内存可见性保证。
重排序
- 为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。分三种类型：
- 编译器优化的重排序。不改变单线程程序语义的前提下，重新安排语句的执行顺序。
- 指令级并行的重排序。现代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机器指令的执行顺序。
- 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓存区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序中执行。
从java源代码到最终实际执行的指令序列，会经历以下三种排序：
上述的1属于编译器重排序，2和3属于处理器重排序。三种重排序都可能导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。对于处理器重排序，JMM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 barriers，intel称之为memory fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（不是所有的处理器重排序都要禁止）。
- JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和处理器平台上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。
处理器重排序和内存屏障指令
现代的处理器使用了写缓存区来临时保存向内存中写入数据。写缓存区可以保证指令流水线持续运行，避免由于处理器停顿下来等待写入内存而产生的延迟。同时，以批处理的方式刷新缓冲区，以及合并写缓冲区对同一内存地址的多次写，可以减少对内存总线的占用。每个处理器的缓冲区仅仅对它所在的处理器可见。所以，处理器对内存的读/写操作的执行顺序，不一定与内存实际发生的读/写操作顺序一致。如下示例：
| Processor A | Processor B |
|---|---|
| a = 1; //A1 | b = 2; //B1 |
| x = b; //A2 | y = a; //B2 |
初始状态：a = b = 0
处理器允许执行后得到结果：x = y = 0
假设处理器A和处理器B按程序的顺序并行执行内存访问，最终却可能得到x = y = 0的结果。
具体的原因如下图所示：
这里处理器A和处理器B可以同时把共享变量写入自己的写缓冲区（A1，B1），然后从内存中读取另一个共享变量（A2，B2），最后才把自己写缓存区中保存的脏数据刷新到内存中（A3，B3）。当以这种时序执行时，程序就可以得到x = y = 0的结果。
从内存操作实际发生的顺序来看，直到处理器A执行A3来刷新自己的写缓存区，写操作A1才算真正执行了。虽然处理器A执行内存操作的顺序为：A1->A2，但内存操作实际发生的顺序却是：A2->A1。此时，处理器A的内存操作顺序被重排序了
关键是，由于写缓冲区仅对自己的处理器可见，它会导致处理器执行内存操作的顺序可能会与内存实际的操作执行顺序不一致。由于现代的处理器都会使用写缓冲区，因此现代的处理器都会允许对写-读操做重排序。
下面是常见处理器允许的重排序类型的列表：
| 平台 | Load-Load | Load-Store | Store-Store | Store-Load | 数据依赖 |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
“N”表示处理器不允许两个操作重排序，“Y”表示允许重排序。
从上表我们可以看出：常见的处理器都允许Store-Load重排序；常见的处理器都不允许对存在数据依赖的操作做重排序。sparc-TSO和x86拥有相对较强的处理器内存模型，它们仅允许对写-读操作做重排序（因为它们都使用了写缓冲区）。
※注1：sparc-TSO是指以TSO(Total Store Order)内存模型运行时，sparc处理器的特性。
※注2：上表中的x86包括x64及AMD64。
※注3：由于ARM处理器的内存模型与PowerPC处理器的内存模型非常类似，本文将忽略它。
※注4：数据依赖性后文会专门说明。
为了保证内存可见性，java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。JMM把内存屏障指令分为下列四类：
StoreLoad Barriers是一个“全能型”的屏障，它同时具有其他三个屏障的效果。现代的多处理器大都支持该屏障（其他类型的屏障不一定被所有处理器支持）。执行该屏障开销会很昂贵，因为当前处理器通常要把写缓冲区中的数据全部刷新到内存中（buffer fully flush）。
happens-before
从JDK5开始，java使用新的JSR -133内存模型（本文除非特别说明，针对的都是JSR- 133内存模型）。JSR-133提出了happens-before的概念，通过这个概念来阐述操作之间的内存可见性。如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在happens-before关系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。 与程序员密切相关的happens-before规则如下：
- 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：对一个监视器锁的解锁，happens- before 于随后对这个监视器锁的加锁。
- 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。
- 传递性：如果A happens- before B，且B happens- before C，那么A happens- before C。
注意，两个操作之间具有happens-before关系，并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行！happens-before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（the first is visible to and ordered before the second）。happens- before的定义很微妙，后文会具体说明happens-before为什么要这么定义。
happens-before与JMM的关系如下图所示：
如上图所示，一个happens-before规则通常对应于多个编译器重排序规则和处理器重排序规则。对于java程序员来说，happens-before规则简单易懂，它避免程序员为了理解JMM提供的内存可见性保证而去学习复杂的重排序规则以及这些规则的具体实现。
笔记
明白了同步的概念，以及共享内存并发模型。还有就是重排序的概念有所理解。最后两小节大概明白，不算太理解，所以直接粘贴过来。
