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Java内存模型FAQ（四）重排序意味着什么？
Java内存模型FAQ（四）重排序意味着什么？
在很多情况下，访问一个程序变量（对象实例字段，类静态字段和数组元素）可能会使用不同的顺序执行，而不是程序语义所指定的顺序执行。编译器能够自由的以优化的名义去改变指令顺序。在特定的环境下，处理器可能会次序颠倒的执行指令。数据可能在寄存器，处理器缓冲区和主内存中以不同的次序移动，而不是按照程序指定的顺序。
例如，如果一个线程写入值到字段
a，然后写入值到字段b，而且b的值不依赖于a的值，那么，处理器就能够自由的调整它们的执行顺序，而且缓冲区能够在a之前刷新b的值到主内存。有许多潜在的重排序的来源，例如编译器，JIT以及缓冲区。编译器，运行时和硬件被期望一起协力创建好像是顺序执行的语义的假象，这意味着在单线程的程序中，程序应该是不能够观察到重排序的影响的。但是，重排序在没有正确同步了的多线程程序中开始起作用，在这些多线程程序中，一个线程能够观察到其他线程的影响，也可能检测到其他线程将会以一种不同于程序语义所规定的执行顺序来访问变量。
大部分情况下，一个线程不会关注其他线程正在做什么，但是当它需要关注的时候，这时候就需要同步了。
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Java内存模型FAQ（二）其他语言，像C++，也有内存模型吗？
Java内存模型FAQ（二） 其他语言，像C++，也有内存模型吗？大部分其他的语言，像C和C++，都没有被设计成直接支持多线程。这些语言对于发生在编译器和处理器平台架构的重排序行为的保护机制会严重的依赖于程序中所使用的线程库（例如pthreads），编译器，以及代码所运行的平台所提供的保障。
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Java内存模型FAQ（五）旧的内存模型有什么问题？
Java内存模型FAQ（五）旧的内存模型有什么问题？
旧的内存模型中有几个严重的问题。这些问题很难理解，因此被广泛的违背。例如，旧的存储模型在许多情况下，不允许
JVM发生各种重排序行为。旧的内存模型中让人产生困惑的因素造就了JSR-133规范的诞生。例如，一个被广泛认可的概念就是，如果使用
final字段，那么就没有必要在多个线程中使用同步来保证其他线程能够看到这个字段的值。尽管这是一个合理的假设和明显的行为，也是我们所期待的结果。实际上，在旧的内存模型中，我们想让程序正确运行起来却是不行的。在旧的内存模型中，final字段并没有同其他字段进行区别对待——这意味着同步是保证所有线程看到一个在构造方法中初始化的final字段的唯一方法。结果——如果没有正确同步的话，对一个线程来说，它可能看到一个字段的默认值，然后在稍后的时间里，又能够看到构造方法中设置的值。这意味着，一些不可变的对象，例如String，能够改变它们值——这实在很让人郁闷。旧的内存模型允许
volatile变量的写操作和非volaitle变量的读写操作一起进行重排序，这和大多数的开发人员对于volatile变量的直观感受是不一致的，因此会造成迷惑。最后，我们将看到的是，程序员对于程序没有被正确同步的情况下将会发生什么的直观感受通常是错误的。
JSR-133的目的之一就是要引起这方面的注意。
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Java内存模型FAQ（三）JSR133是什么?
Java内存模型FAQ（三）JSR133是什么?原文第三章 从
1997年以来，人们不断发现Java语言规范的17章定义的Java内存模型中的一些严重的缺陷。这些缺陷会导致一些使人迷惑的行为（例如final字段会被观察到值的改变）和破坏编译器常见的优化能力。Java内存模型是一个雄心勃勃的计划，它是编程语言规范第一次尝试合并一个能够在各种处理器架构中为并发提供一致语义的内存模型。不过，定义一个既一致又直观的内存模型远比想象要更难。JSR133为Java语言定义了一个新的内存模型，它修复了早期内存模型中的缺陷。为了实现JSR133，final和volatile的语义需要重新定义。完整的语义见，但是正式的语义不是小心翼翼的，它是令人惊讶和清醒的，目的是让人意识到一些看似简单的概念（如同步）其实有多复杂。幸运的是，你不需要懂得这些正式语义的细节——
JSR133的目的是创建一组正式语义，这些正式语义提供了volatile、synchronzied和final如何工作的直观框架。JSR 133的目标包含了：保留已经存在的安全保证（像类型安全）以及强化其他的安全保证。例如，变量值不能凭空创建：线程观察到的每个变量的值必须是被其他线程合理的设置的。 正确同步的程序的语义应该尽量简单和直观。 应该定义未完成或者未正确同步的程序的语义，主要是为了把潜在的安全危害降到最低。 程序员应该能够自信的推断多线程程序如何同内存进行交互的。 能够在现在许多流行的硬件架构中设计正确以及高性能的
JVM实现。 应该能提供 安全地初始化的保证。如果一个对象正确的构建了（意思是它的引用没有在构建的时候逸出，那么所有能够看到这个对象的引用的线程，在不进行同步的情况下，也将能看到在构造方法中中设置的final字段的值。 应该尽量不影响现有的代码。
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Java内存模型FAQ（九）在新的Java内存模型中，final字段是如何工作的
Java内存模型FAQ（九）在新的Java内存模型中，final字段是如何工作的一个对象的
final字段值是在它的构造方法里面设置的。假设对象被正确的构造了，一旦对象被构造，在构造方法里面设置给final字段的的值在没有同步的情况下对所有其他的线程都会可见。另外，引用这些final字段的对象或数组都将会看到final字段的最新值。对一个对象来说，被正确的构造是什么意思呢？简单来说，它意味着这个正在构造的对象的引用在构造期间没有被允许逸出。（参见安全构造技术）。换句话说，不要让其他线程在其他地方能够看见一个构造期间的对象引用。不要指派给一个静态字段，不要作为一个listener注册给其他对象等等。这些操作应该在构造方法之后完成，而不是构造方法中来完成。
class FinalFieldExample { final int x; int y; static FinalFieldExample f; public FinalFieldExample() { x = 3; y = 4; } static void writer() { f = new FinalFieldExample(); } static void reader() { if (f != null) { int i = f.x; int j = f.y; } } }上面的类展示了
final字段应该如何使用。一个正在执行reader方法的线程保证看到f.x的值为3，因为它是final字段。它不保证看到f.y的值为4，因为f.y不是final字段。如果FinalFieldExample的构造方法像这样：public FinalFieldExample() { // bad! x = 3; y = 4; // bad construction - allowing this to escape global.obj = this; }那么，从
global.obj中读取this的引用线程不会保证读取到的x的值为3。能够看到字段的正确的构造值固然不错，但是，如果字段本身就是一个引用，那么，你还是希望你的代码能够看到引用所指向的这个对象（或者数组）的最新值。如果你的字段是
final字段，那么这是能够保证的。因此，当一个final指针指向一个数组，你不需要担心线程能够看到引用的最新值却看不到引用所指向的数组的最新值。重复一下，这儿的“正确的”的意思是“对象构造方法结尾的最新的值”而不是“最新可用的值”。现在，在讲了如上的这段之后，如果在一个线程构造了一个不可变对象之后（对象仅包含
final字段），你希望保证这个对象被其他线程正确的查看，你仍然需要使用同步才行。例如，没有其他的方式可以保证不可变对象的引用将被第二个线程看到。使用final字段的程序应该仔细的调试，这需要深入而且仔细的理解并发在你的代码中是如何被管理的。如果你使用
JNI来改变你的final字段，这方面的行为是没有定义的。
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深入理解Java内存模型（一）——基础
深入理解
Java内存模型（一）——基础并发编程模型的分类
在并发编程中，我们需要处理两个关键问题：
线程之间如何通信及线程之间如何同步（这里的线程是指并发执行的活动实体）。通信是指线程之间以何种机制来交换信息。在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种：共享内存和消息传递。
在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信。在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信。
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的接收之前，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线程之间的通信总是隐式进行，整个通信过程对程序员完全透明。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。Java内存模型的抽象在
java中，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（本文使用“共享变量”这个术语代指实例域，静态域和数组元素）。局部变量（Local variables），方法定义参数（java语言规范称之为formal method parameters）和异常处理器参数（exception handler parameters）不会在线程之间共享，它们不会有内存可见性问题，也不受内存模型的影响。Java线程之间的通信由Java内存模型（本文简称为JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，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，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/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，写缓冲区，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与线程B之间如要通信的话，必须要经历下面2个步骤：- 首先，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去。 - 然后，线程
B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。
下面通过示意图来说明这两个步骤：
如上图所示，本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本。假设初始时，这三个内存中的x值都为0。线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中，此时主内存中的x值变为了1。随后，线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1。从整体来看，这两个步骤实质上是线程
A在向线程B发送消息，而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为java程序员提供内存可见性保证。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。重排序分三种类型：
- 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以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（
Instruction-Level Parallelism， ILP）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/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。
从
java源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序：
上述的1属于编译器重排序，2和3属于处理器重排序。这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。对于处理器重排序，JMM的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不同的处理器平台之上，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。处理器重排序与内存屏障指令
现代的处理器使用写缓冲区来临时保存向内存写入的数据。写缓冲区可以保证指令流水线持续运行，它可以避免由于处理器停顿下来等待向内存写入数据而产生的延迟。同时，通过以批处理的方式刷新写缓冲区，以及合并写缓冲区中对同一内存地址的多次写，可以减少对内存总线的占用。虽然写缓冲区有这么多好处，但每个处理器上的写缓冲区，仅仅对它所在的处理器可见。这个特性会对内存操作的执行顺序产生重要的影响：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！为了具体说明，请看下面示例：
ProcessorA ProcessorB 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（处理器B的情况和处理器A一样，这里就不赘述了）。这里的关键是，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。
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：屏障类型 指令示例 说明 LoadLoad Barriers Load1; LoadLoad; Load2 确保Load1数据的装载，之前于Load2及所有后续装载指令的装载。 StoreStore Barriers Store1; StoreStore; Store2 确保Store1数据对其他处理器可见（刷新到内存），之前于Store2及所有后续存储指令的存储。 LoadStore Barriers Load1; LoadStore; Store2 确保Load1数据装载，之前于Store2及所有后续的存储指令刷新到内存。 StoreLoad Barriers Store1; StoreLoad; Load2 确保Store1数据对其他处理器变得可见（指刷新到内存），之前于Load2及所有后续装载指令的装载。 StoreLoad Barriers会使该屏障之前的所有内存访问指令（存储和装载指令）完成之后，才执行该屏障之后的内存访问指令。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。
- 首先，线程