笔记07 - Java内存模型

线程是CPU调度的最小单元，线程中的字节码最终是放到CPU中执行的，CPU执行的时候伴随着数据的读写，在Java中所有的数据都是放在主内存（RAM）中的，这一过程如下所示：

随着CPU技术的发展，CPU的执行速度越来越快，但是内存技术并没有太大的改变，这就导致内存中数据的读写速度和CPU处理数据的速度差距越来越大，CPU需要较长时间等待内存的读写，这就意味着CPU会出现空转的情况。为了解决性能的瓶颈，进一步释放CPU的运算能力，在CPU中添加了高速缓存（cache）作为数据的缓冲。

在执行任务之前，CPU会首先将数据从主内存中复制到高速缓存中，让运算能够快速进行，当运算完成之后，再将缓存中的结果刷回到主内存中，这样CPU就不用等待主内存中数据的读写了。

目前市面上有的手机有多个CPU、一些CPU还有多核，每个CPU都可以运行一个线程，这就意味着主内存中的数据同时可能被多个线程同时读写，而CPU的高速缓存也是相互独立的，这就会导致主内存中数据的不一致的问题。

另外来自于硬件的指令重排也会导致数据的不一致。CPU内部的运算单元为了尽量被充分利用，处理器会对字节码进行指令重排。

比如下面的代码（b的赋值不影响a的运算）：

编译之后的字节码为：

上面的指令中可以看到，指令7（对应最后a + 1）并不影响指令2和指令3，这种情况下，CPU会对指令的顺序进行调整：

从Java语言的角度，调整后的代码顺序：

上面的指令重排在多线程的情况下，由于指令的重拍，单个线程内并没有影响，但可能影响多线程中数据的读写操作，从而导致一些意想不到的结果。

Java的内存模型

如果任由CPU进行优化或多线程的操作，会导致Java程序运行结果出乎意料，为了解决这种问题，JVM推出了Java内存模型来解决。

在java内存模型中，我们统一使用工作内存（working memory）来当作CPU中的寄存器或高速缓存的抽象。线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程有自己的工作内存，线程的工作内存中存储了共享内存中变量的副本。

在JMM规范中，又一个重要的规则happens-before。

happens-before先行发生原则

happens-before用于描述两个操作在内存中的可见性，通过保证数据的可见性，从而让应用程序免于数据竞争的干扰。

会发生指令重排的情况：

下面的代码：

int a = 10;  // 1
b = b + 1;   // 2

由于操作2和操作1之间并不会相互影响，这种情况下CPU为了提高计算单元的利用率，一般会进行指令重排。

但是我们要是把代码改成下面这种：

int a = 10;  // 1
b = b + a;   // 2

由于操作2依赖操作1的执行，这种情况下就不会发生指令重排了。

在Java内存模型（JMM）中，有以下的一些情况会自动符合happens-before规则：

1. 程序次序规则

在单线程中，一段代码中逻辑顺序靠前的字节码一定是对后续逻辑字节码可见的。

2. 锁定规则

无论是单线程还是多线程环境中，一个锁处于锁定状态，那么必须首先执行unlock才做，这个所才能被其他的线程获得并重新lock。

3. 变量可见规则

volatile关键字保证了变量的可见性。如果一个线程写了volatile的变量，另外一个线程读取这个变量，那么这个写操作一定是happens-before读操作的。

4. 线程启动规则

Thread对象的start方法先行发生于此线程的每一个动作。假设线程A在执行的过程中通过执行ThreadB.start()来启动线程B，那么线程A中对共享变量的修改，在线程B开始执行后对线程B可见。

5. 线程终结规则

假如线程A在执行的过程中，通过调用ThreadB.join()方法等待线程B终止，那么线程B在终止之前对共享变量的修改在线程A等到返回之后可见。

6. 对象终结规则

一个对象的初始化完成发生在它的finalize()方法之前，也就是对象初始化的数据对它的finalize方法可见。

两种happens-before化的方式

1. 使用volatile关键字

2. 使用synchronized关键字

通过上面两种方式，在一个线程中调用setValue设置的value对其他的线程可见，再setValue之后，其他的线程调用getValue获取到的value一定是1.