Java内存模型(可见性有序性)

摘要

本文的主题是Java内存模型的可见性，主要解决以下几个问题：

• 什么是可见性
• 什么是有序性
• 指令重排序
• 如何保证线程间有序性
• 先行发生原则
• volatile关键字
• synchronized关键字

1. 概念

1.1 什么可见性

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值以后，其他线程可以立即得知这个修改。

1.2 什么是有序性

Java中的有序性在不加干预的情况下可以总结为：在线程中观察自身的操作是有序的(线程内表现为串行语义)，在一个线程观察另一个线程所有的操作都是无序的（指令重排序和工作内存与主内存同步延迟）。线程之间的有序性需要我们通过一些措施来保证。

2. 指令重排序

指令重排序是CPU在条件允许的情况下，直接运行当前有能力立即执行的后续指令，避开获取下一条指令所需数据时造成的等待，只需要保证最后能得出正确的结果。通过乱序执行的技术，处理器可以大大提高执行效率。

Java虚拟机的JIT即时编译器也会采用指令重排序的技术，即生成的机器指令与字节码指令顺序不一致。

3. 如何保证有序性

由于指令重排序和内存同步延迟的问题，Java中提供了volatile和synchronized关键字来保证线程间的有序性。这两个关键字我们放在后面单独讲（毕竟可见性、有序性都和他们有关）。

除了上述两个关键字，Java语言中有一个先行发生原则，这个原则是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的主要依据。

先行原则是Java内存模型中定义两项操作的偏序关系，如果A操作先行发生于操作B，那么操作A产生的影响要能被操作B观察到，比如修改了内存变量的共享值。

3.1 先行发生原则

如果两个操作不在先行发生原则中，并且无法推导出来的话，这两个操作就没有顺序性保障，虚拟机可以对他们进行任意排序。

先行发生原则如下：

• 程序次序原则：同一个线程内，按照控制流顺序（分支、循环等），书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
• 管程锁定原则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
• volatile变量规则：对于一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作（这和可见性有关系）
• 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
• 线程终止原则：线程中的所有操作先行发生于对此线程的终止检测
• 线程中断原则：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（Thread.interrupted()方法可以检测到是否有中断发生）
• 对象终结原则：一个对象的初始化完成先行发生于它的finalized()方法的开始
• 传递性：如果操作A先行发生于B，操作B先行发生于C，那么操作A肯定先行发生于C

4. volatile关键字

volatile关键字在可见性和有序性有着关键性作用，但读者一定要记住一点：volatile关键字修饰的变量并不一定是线程安全的，他只保证变量被一个线程修改了以后，另一个线程可以立即观察到。

volatile关键字之所以能保证可见性、有序性，是因为Java内存模型对volatile修饰的变量使用有着以下规则：

• 对volatile变量的use操作前必须要有load操作，对volatile变量的load操作后面必须有use操作，也就是说load、use操作必须连续，这就保证了volatile变量在使用前必须重新从主内存刷新到工作内存中
• 对volatile变量的assign操作后面必须有store操作，对voldatile变量的store操作前面必须有assign操作，也就是说assign、store必须连续，这就保证了volatile变量的值在修改以后必须从工作内存刷新到主内存中

上述两条规则保证了volatile变量的可见性。

• 假设操作A是线程T对volatile变量的use或者assign，假定操作B是和操作A相关联的load或者store，假定操作C是操作B相关联的read或者write；类似的操作D是线程P对另一个volatile变量的use或者assign，假定操作E是和操作D相关联的load或者store，假定操作F是和操作E相关联的read或者write，如果A先于D，那么C必定先于F

上述规则确保了volatile变量不会被指令重排序优化。

5. synchronized

synchronized是Java开发最熟悉不过的用来保证线程安全的关键字，上面我们提到lock和unlock是两个原子性指令，但是这两个指令并未开放给用户使用，而是提供monitorenter和monitorexit字节码指令来隐式的使用这两个操作，这两个操作反映到Java语言层面便是synchronized关键字。synchronized块中的操作也具备原子性。

synchronized关键字也可以保证变量可见性，原因是：对一个变量的unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存中(store和write操作)。

synchronized关键也可以保证有序性，原因是：一个变量在同一时刻只允许一条线程对其执行lock操作，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行执行。

本期的Java内存模型可见性-有序性介绍到这，我是shysh95，顺手关注+在看，我们下期再见！！！

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