第十二章 Java 内存模型与线程
12.1 概述
衡量一个服务性能的高低好坏，每秒事务处理数（Transaction Per Second，TPS）是最重要的指标之一，它代表着一秒内服务端平均能相应的请求总数，而 TPS 值与程序的并发能力又有非常密切的关系。对于计算量相同的任务，程序线程并发协调的越有条不紊，效率自然越高；反之，线程之间频繁阻塞甚至死锁，将会大大降低程序的并发能力。
12.2 硬件的效率与一致性
基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存速度之间的矛盾，但是也为计算机系统带来更高的复杂度，它引入了一个新的问题：缓存一致性（Cache Coherence）。在多路处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存（Main Memory），这种系统称为共享内存多核系统（Shared Memory Multiprocessors System），如下图所示。
当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致。如果真的发生这种情况，那同步回到主内存时该以谁的缓存数据为准呢？为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI（Illinois Protocol）、MOSI、Synapse、Firefly及Dragon Protocol等。从本章开始，我们将会频繁见到“内存模型”一词，它可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。不同架构的物理机器可以拥有不一样的内存模型，而Java虚拟机也有自己的内存模型，并且与这里介绍的内存访问操作及硬件的缓存访问操作具有高度的可类比性。
除了增加高速缓存之外，为了使处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行（Out-Of-Order Execution）优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有指令重排序（Instruction Reorder）优化。
12.3 Java 内存模型
Java内存模型（Java Memory Model，JMM）是设计用来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。
12.3.1 主内存与工作内存
Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即关注在虚拟机中把变量值存储到内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。这里的变量指的不是编程中的变量，而是指的实例字段、静态字段、构成数组的元素，但是不包括局部变量和方法参数，这些是线程私有的，存在工作内存即可。对于局部变量引用来说，其实例仍然存在主内存但是引用是在工作内存中不被共享的。
Java 内存模型规定了所有变量都存在主内存（Main Memory）中，每条线程还有自己的工作内存（Working Memory）。线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的数据[插图]。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图所示：
12.3.2 内存间交互操作
关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存这一类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成。Java虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的：
- lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
- unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
- read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。
- load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
- use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
- assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
- store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
- write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。
read - load 和 store - write 两个操作需要顺序执行，但是不要求其是连续的，也就是说read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的，例如如对主内存中的变量a、b进行访问时，这种 read a、read b、load b、load a 顺序的指令也可以出现。除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：
- 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
- 不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
- 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
- 一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，换句话说就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行assign和load操作。
- 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
- 如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作以初始化变量的值。
- 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
- 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）。
12.3.3 对于volatile型变量的特殊规则
关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但是他其实并不能保证线程安全。当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性：第一项是保证此变量对所有线程的可见性，这里的 “可见性” 是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量并不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递时均需要通过主内存来完成。比如，线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一条线程B在线程A回写完成了之后再对主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。例如如下代码：
public class VolatileTest {
static class Test {
public boolean flag = false;
}
public static void main(String[] args) {
Test test = new Test();
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(2000L);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
test.flag = true;
}).start();
while (true) {
if (test.flag) {
System.out.println("flag changed!");
break;
}
}
}
}
当在线程中 test.flag 改变时，while true 代码块中却并未感知，这就是线程不可见。如若给 flag 加上 volatile ，则代码块中也就可以感知到。
但是 volatile 标记的变量就真的线程安全吗？答案是 No。volatile 仅仅保证内存可见性，但是Java里面的运算操作符并非原子操作，这导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。例如：
public class Test {
public static volatile int race = 0;
public static void increase() {
race++;
}
public static void main(String[] args) {
Thread[] threads = new Thread[20];
for (int i = 0; i < 20; i++) {
threads[i] = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
increase();
}
});
threads[i].start();
}
while (Thread.activeCount() > 2) {
Thread.yield();
}
System.out.println(race);
}
}
这里之所以大于 2，是因为在IDEA中运行这段程序，会由于IDE自动创建一条名为 Monitor Ctrl-Break 的线程(从名字看应该是监控 Ctrl-Break 中断信号的)而导致 while 循环无法结束。
这段代码的结果大家来猜一下是多少。没错！就是20000。 屁啦，是小于20w的数字。我执行出来是 78481 ，每次都不一样的。这也侧面说明了他不是线程安全的。原因嘛大家自行百度，书上写了不想赘述。
由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁（使用synchronized、java.util.concurrent中的锁或原子类）来保证原子性：
- 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
- 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。
使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通的变量仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在同一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这就是Java内存模型中描述的所谓“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics）。举一个最经典的例子，双锁检测（Double Check Lock，DCL）单例代码：
public class Singleton {
private volatile static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (null == instance) {
synchronized (Singleton.class) {
if (null == instance) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
public static void main(String[] args) {
Singleton instance = Singleton.getInstance();
}
}
这里的实例也需要加上 volatile ，却不是因为保证内存可见性，而是因为保证指令不会重排序。指重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置，只有一个处理器访问内存时，并不需要内存屏障；但如果有两个或更多处理器访问同一块内存，且其中有一个在观测另一个，就需要内存屏障来保证一致性了。引用书上的一段话解释指令重排序：
从硬件架构上讲，指令重排序是指处理器采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各个相应的电路单元进行处理。但并不是说指令任意重排，处理器必须能正确处理指令依赖情况保障程序能得出正确的执行结果。譬如指令1把地址A中的值加10，指令2把地址A中的值乘以2，指令3把地址B中的值减去3，这时指令1和指令2是有依赖的，它们之间的顺序不能重排——(A+10)2与A2+10显然不相等，但指令3可以重排到指令1、2之前或者中间，只要保证处理器执行后面依赖到A、B值的操作时能获取正确的A和B值即可。所以在同一个处理器中，重排序过的代码看起来依然是有序的。
结论：我们在 volatile 与锁中选择的唯一判断依据仅仅是volatile的语义能否满足使用场景的需求。
12.3.4 针对long和double型变量的特殊规则
Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这八种操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型（long和double）在模型中特别定义了一条宽松的规定：允许虚拟机将没有被 volatile 修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即允许虚拟机实现自行选择是否要保证64位数据类型的 load、store、read 和 write 这四个操作的原子性，这就是所谓的“long 和 double 的非原子性协定”（Non-Atomic Treatment of double and long Variables）。
如果有多个线程共享一个并未声明为 volatile 的 long 或 double 类型的变量，并且同时对它们进行读取和修改操作，那么某些线程可能会读取到一个既不是原值，也不是其他线程修改值的代表了“半个变量”的数值。
从 JDK 9 起，HotSpot 增加了一个实验性的参数-XX：+AlwaysAtomicAccesses（这是 JEP 188 对 Java 内存模型更新的一部分内容）来约束虚拟机对所有数据类型进行原子性的访问。
12.3.5 原子性、可见性与有序性
介绍完Java内存模型的相关操作和规则后，我们再整体回顾一下这个模型的特征。Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的，我们逐个来看一下哪些操作实现了这三个特性。
- 原子性（Atomicity）：由 Java 内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store 和 write 这六个，我们大致可以认为，基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的，如果遇到更大范围的原子性保证，则有 synchronize 关键字来保证，其字节码指令为 monitorenter 和 monitorexit ，最底层的实现则是 lock 和 unlock 两个指令。
- 可见性（Visibility）：可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此（只不过 volatile 是立即刷新主内存而已）。
除了 volatile 之外，Java还有两个关键字能实现可见性，它们是 synchronized 和final。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行 store、write 操作）”这条规则获得的。而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去（ this 引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那么在其他线程中就能看见 final 字段的值 - 有序性（Ordering）：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。
Java 语言提供了 volatile 和 synchronized 两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而 synchronized 则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。
12.3.6 先行发生原则
如果 Java 内存模型中所有的有序性都仅靠 volatile 和 synchronized 来完成，那么有很多操作都将会变得非常啰嗦，但是我们在编写 Java 并发代码的时候并没有察觉到这一点，这是因为 Java 语言中有一个“先行发生”（Happens-Before）的原则。这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的非常有用的手段。依赖这个原则，我们可以通过几条简单规则一揽子解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题，而不需要陷入Java内存模型苦涩难懂的定义之中。
先行发生是 Java 内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，比如说操作 A 先行发生于操作 B，其实就是说在发生操作 B 之前，操作 A 产生的影响能被操作 B 观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。
下面是 Java 内存模型下一些“天然的”先行发生关系，这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来，则它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序：
- 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照控制流顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。注意，这里说的是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。
- 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是“同一个锁”，而“后面”是指时间上的先后。
- volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的“后面”同样是指时间上的先后。
- 线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
- 线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread::join()方法是否结束、Thread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止执行。
- 线程中断规则（Thread Interruption Rule）：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread::interrupted()方法检测到是否有中断发生。
- 对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize()方法的开始。
- 传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。
这里要额外注意，时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有因果关系，所以我们衡量并发安全问题的时候不要受时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。
读书越多越发现自己的无知，Keep Fighting！
本文仅是在自我学习 《深入理解Java虚拟机》这本书后进行的自我总结，有错欢迎友善指正。
欢迎友善交流，不喜勿喷~
Hope can help~