面试官，你别再问了——JAVA之内存模型(简化版)

在面试之时，很多面试官都喜欢问道，JMM清楚吗？说说什么是内存可见性，什么是重排序？synchronized、volatile和final中的原理？等等诸如此类的问题。而网上一搜，巴啦啦一大堆，东西比较乱，也很难把面试官变相问题回答清楚。终于，下定决心给大家捋一捋 JAVA 简化版的内存模型。

1、绪论。

Java的并发采用的是共享内存模型，Java线程之间的通信总是隐式的，整个通信过程对 程序员 来说完全是透明的。

2、JMM简述。

JMM是Java内存模型，它决定了一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度看，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(Main Memory)中，每个线程都有一个抽象的(真实不存在的)本地内存(Local Memory)，本地内存存储了该线程以读、写共享变量的副本。

知识点补充：(上述JMM所说的"共享变量"主要存在于java堆中)

JVM内存模型包括：
(1) 程序计数器。一块很小的内存空间，用于记录下一条要运行的指令。是线程私有的内存。
(2)java虚拟机栈。它和java线程同一时间创建，保存了局部变量、部分结果，并参与方法的调用和返回。是线程私有的内存。
(3)本地方法栈。它和java虚拟机栈的功能相似，主要为Native方法服务。是线程私有的内存。
(4)java堆。为所有创建的对象和数组分配内存空间。是线程共有的内存。
(5)方法区。也被称为永久区，与堆空间相似。是线程共有的内存。

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3、JMM中的重排序。

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。然而在程序最终执行之前，还要做一个内存的重排序。

重 排序 可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。请看代码例子：

class ReorderEample {
        int a = 0;
        boolean flag = false;
        //写操作
        public void writer() {
            a = 1 ;  // (1)
            flag = true; //(2)
        }
        //读操作
        public void reader() {
            if (flag) {    //(3)
                int i = a * a;  //(4)
                // 处理逻辑
            }
        }
    }
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flag变量是个标记，标识a是否已被写入。假设有两个线程A和B，A首先执行了写操作writer()，随后B接着执行读操作reader()方法。那么线程B在执行操作(4)时，是否能看到线程A在操作(1)时对共享变量a的写入？答案是未必能看到。因为在重排序时，A线程可能先标识了flag变量，再对a变量进行写入，但是在它们发生之间，B线程此时来读了，该程序的语义被破坏了。如下程序执行时序图：

4、volatile的内存语义

JMM中，被声明成volatile的共享变量，线程通过排他锁获取这个变量，确保在线程中是可见的。为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入 内存屏障 来禁止特定类型的处理器重排序。了解内存屏障详情请看 Java内存模型Cookbook（二）内存屏障

4.1、volatile的特性

• 可见性。对一个volatile变量的读取，总能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入。
• 原子性。对任意单个volatile变量的读/写具有原子性。但对于多个volatile操作或类型volatile++这种复合操作不具有原子性。

4.2、volatile解决重排序问题

volatile遵循happens-before原则。请看如下代码：

class ReorderEample {
        int a = 0;
        volatile boolean flag = false;
        //写操作
        public void writer() {
            a = 1 ;  // (1)
            flag = true; //(2)
        }
        //读操作
        public void reader() {
            if (flag) {    //(3)
                int i = a * a;  //(4)
                // 处理逻辑
            }
        }
    }
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假设线程A执行writer()方法之后，线程B执行reader()方法。根据happens-before原则，这个过程建立的happens-before关系分为3类：

• 1. 根据程序次序规则，(1) happens-before (2) ; (3) happens-before (4)。
• 2. 根据volatile规则，(2) happens-before (3).
• 3. 根据happens-before的传递性规则，(1) happens-before (4)。

其happens-before建立关系图如下：

对于上一个例子来说，这个例子只对flag变量增加了volatile声明。A线程写入一个volatile变量后，B线程读同一个volatile变量。A线程在写volatile变量之前所有可见的共享变量，在B线程读同一个volatile变量后，立即对B线程可见。

happens-before规则知识点补充：

(1)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
(2)监视器锁规则：对一个线程的解锁，happens-before于随后对这个线程的加锁
(3)volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于后续对这个volatile域的读
(4)传递性：如果A happens-before B ,且 B happens-before C, 那么 A happens-before C
(5)start()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()happens-before 于B中的任意操作
(6)join()原则：如果A执行ThreadB.join()并且成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。
(7)interrupt()原则： 对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测是否有中断发生
(8)finalize()原则：一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize()方法的开始。
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5、synchronized的内存语义

synchronized内存语义与volatile内存语义类似，在Java并发编程机制中，锁除了让临界区互斥之外，还可以让释放锁的线程向获取同一个锁的线程发送消息。它的核心底层就是使用一个volatile声明的state变量来维护同步状态。

5.1、synchronized解决重排序问题

锁也遵循happens-before规则。请看如下代码：

class MonitorExample{
        int a = 0;
        //写操作
        public synchronized void writer() { //(1)
            a ++;                           //(2)
        }                                   //(3)
        //读操作
        public synchronized void reader() { //(4)
            int i = a;                      //(5)
            //处理逻辑
        }                                   //(6)
    }
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假设线程A执行writer()方法，随后线程B执行reader()方法。根据happens-before规则，这个过程包含的happens-before关系可以分为3类：

• 1. 根据程序次序规则，(1) happens-before (2)，(2) happens-before (3)，(4) happens-before (5)，(5) happens-before (6)。
• 2. 根据监视器锁规则，(3) happens-before (4)。
• 3. 根据传递性规则，(2) happens-before (5)。

其happens-before建立关系图如下：

线程A释放了锁之后，随后线程B获取同一个锁。因为 (2) happens-before (5)，所以线程A在释放锁之前所有可见的共享变量在线程B获取同一个锁之后对于B线程都变得可见。

6、final的内存语义

在JMM中，通过 内存屏障 禁止编译器把final域的写重排序到构造函数之外。因此，在对象引用为任意线程可见之前，对象的final域已经被正确初始化(不为null的情况)了。 对于final域，编译器和处理器遵循两个重排序规则：

• 在构造函数内对一个final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。
• 初次读一个包含final域的对象的医用，与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序。

下面通过两个示例来说明这两个规则。

6.1、示例一

public class FinalExample {
    int i;                           //普通变量
    final int j;                     //final变量
    static FinalExample obj;
    public FinalExample(int j) {     //构造函数
        i = 1;                       //写普通域
        this.j = j;                  //写final域
    }
    
    public static void writer() {    //写线程A执行
        obj = new FinalExample(2);
    }
    
    public static void reader() {    //读线程B执行
        FinalExample object = obj;   //读引用对象
        int a = object.i;            //读普通域
        int b = object.j;            //读final域
    }
}
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写普通域的操作被编译器重排序到了构造函数之外，读线程B错误地读取了普通变量i初始化之前的值。而写final域操作后，被写final域的重排序规则“限定”在了构造函数之内，读线程B正确地读取了final变量初始化的值。执行时序图如下：

6.2 示例二

public class FinalReferenceExample {
    final int[] intArray;
    static FinalReferenceExample obj;

    public FinalReferenceExample() {   //构造函数
        intArray = new int[1];         //(1)
        intArray[0] = 1;               //(2)
    }

    public static void writeOne() {         //写线程A执行
        obj = new FinalReferenceExample();  //(3)
    }

    public static void writeTwo() {         //写线程B执行
        obj.intArray[0] = 2;                //(4)
    }

    public static void reader () {         //读线程C执行
        if (obj != null) {                 //(5)
            int temp = obj.intArray[0];    //(6)
        }
    }
}
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首先线程A执行writeOne()方法，执行完后线程B执行writeTwo方法，执行完后线程C执行reader方法。操作(1)对final域的写入，操作(2)是对final域引用的对象的成员写入，操作(3)是把被构造的对象的引用赋值给某个引用变量。这里除了(1)和(3)不能重排序，(2)和(3)也不能重排序。因此，该程序的线程执行时序不可知，因为写线程B和读线程C之间存在数据竞争。

参考：《Java并发编程的艺术》 方腾飞 魏鹏 程晓明 《深入理解Java虚拟机》 周志明

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