从JVM内存模型来看并发编程中的可见性和有序性

0 目录

1 什么是JVM内存模型

2 Happens-Before规则

2.1 程序的顺序性规则

2.2 volatile 变量规则

2.3 传递性

2.4 管程中锁的规则

2.5 线程start()规则

2.6 线程join()规则

3 总结

工作做螺丝钉，面试造火箭，我想这个是每个程序员比较头疼的事情，但是又有必须经历的流程，我们再聊聊从JVM内存模型来看并发编程中的可见性和有序性。

1 什么是JVM内存模型

我们都已经知道，导致可见性的原因是缓存，导致有序性的原因是编译优化，那解决可见性、有序性最直接的办法就是禁用缓存和编译优化，但是这样问题虽然解决了，咱们程序的性能可就堪忧了。合理的方案应该是按需禁用缓存以及编译优化。

软件开发人员如何做到“按需禁用”呢？对于并发程序，何时禁用缓存以及编译优化只有软件开发人员知道，那所谓“按需禁用”其实就是指按照软件开发人员的要求来禁用。所以，为了解决可见性和有序性问题，只需要提供给软件开发人员按需禁用缓存和编译优化的方法即可。

Java 内存模型是个很复杂的规范，可以从不同的视角来解读，站在软件开发人员的视角，本质上可以理解为，Java 内存模型规范了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。

总的来说，这些方法包括 volatile、synchronized 和 final 三个关键字

其中最核心的部分，还是要了解Java 的Happens-Before规则。

2 Happens-Before规则

软件开发人员要如何理解 Happens-Before 呢？其实Happens-Before 并不是说前面一个操作发生在后续操作的前面，它真正要表达的是：前面一个操作的结果对后续操作是可见的。Happens-Before 规则就是要保证线程之间的一种“心灵感应”。所以比较正式的说法是：Happens-Before 约束了编译器的优化行为，虽允许编译器优化，但是要求编译器优化后一定遵守 Happens-Before 规则。

Happens-Before 规则总共包括如下六条规则：

2.1 程序的顺序性规则

这条规则是指在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作 Happens-Before 于后面的任意操作。这个是非常符合单线程里面的思维：程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的。这条规则在顺序编程中是通用的，但是如果进入并发编程的领域就行不通了。

2.2 volatile 变量规则

这条规则是指对一个 volatile 变量的写操作， Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作。这个就有点费解了，对一个 volatile 变量的写操作相对于后续对这个 volatile 变量的读操作可见，这怎么看都是禁用缓存的意思啊，貌似和 1.5 版本以前的语义没有变化啊？如果单看这个规则，的确是这样，但是如果我们关联一下规则 3，就有点不一样的感觉了。

我之前也是搞混了 volatile 变量的语义，错误的认为“如果我将变量声明为volatile 类型，就是禁用了CPU缓存，会影响性能”，经过查询相关文档之后，才认识到自己的错误。

2.3 传递性

这条规则是指如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。

2.4 管程中锁的规则

这条规则是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。要理解这个规则，就首先我们需要理解“管程指的是什么”。

管程是一种通用的同步语义，在 Java 中指的就是 synchronized，synchronized 是 Java 里对管程的实现。

管程中的锁在 Java 里是隐式实现的，使用synchronized关键字之后，代码进入同步块之前，会自动加锁，而在代码块执行完会自动释放锁，加锁以及释放锁都是编译器帮我们实现的。

2.5 线程start()规则

这条是关于线程启动的。它是指主线程 A 启动子线程 B 后，子线程 B 能够看到主线程在启动子线程 B 前的操作。换句话说就是，如果线程 A 调用线程 B 的 start() 方法（即在线程 A 中启动线程 B），那么该 start() 操作 Happens-Before 于线程 B 中的任意操作。

2.6 线程join()规则

这条是关于线程等待的。它是指主线程 A 等待子线程 B 完成（主线程 A 通过调用子线程 B 的 join() 方法实现），当子线程 B 完成后（主线程 A 中 join() 方法返回），主线程能够看到子线程的操作。当然所谓的“看到”，指的是对共享变量的操作。换句话说就是，如果在线程 A 中，调用线程 B 的 join() 并成功返回，那么线程 B 中的任意操作 Happens-Before 于该 join() 操作的返回。

好吧我们再来回头看看final关键字

前面已经描述过 volatile 为的是禁用缓存以及编译优化，我们再从另外一个方面来看，有没有办法告诉编译器优化得更好一点呢？这个可以有，就是 final 关键字。

final 修饰变量时，初衷是告诉编译器：这个变量生而不变，可以可劲儿优化。

Java 编译器在 JDK1.5 以前的版本的确优化得很努力，以至于都优化错了。问题类似于上一期提到的利用双重检查方法创建单例，构造函数的错误重排导致线程可能看到 final 变量的值会变化。

当然了，在 JDK1.5 以后 Java 内存模型对 final 类型变量的重排进行了约束。现在只要我们提供正确构造函数没有“逸出”，就不会出问题了。“逸出”一般是指软件开发人员通过方法入参将全局变量传递到方法中，而这个全局对象又会被多个线程共享，导致逸出的现象。

3 总结

Java 的内存模型是并发编程领域的一次重要创新，之后 C++、C#、Golang 等高级语言都开始支持内存模型。

Java 内存模型里面，最晦涩的部分就是 Happens-Before 规则了。

在 Java 语言里面，Happens-Before 的语义本质上是一种可见性。

A Happens-Before B 意味着 A 事件对 B 事件来说是可见的，无论 A 事件和 B 事件是否发生在同一个线程里。例如 A 事件发生在线程 1 上，B 事件发生在线程 2 上，Happens-Before 规则保证线程 2 上也能看到 A 事件的发生。

Java 内存模型主要分为两部分，一部分面向应用开发人员，另一部分是面向 JVM 的实现人员的，我们可以重点关注前者，也就是和编写并发程序相关的部分，这部分内容的核心就是 Happens-Before 规则，当然只是从方法论的角度去分析了Happens-Before 规则，如果要融会贯通，还是需要大量的实战。

以上都是本人对Happens-Before 规则的个人理解，如有不对的地方，欢迎留言。

知识输出是笔者的初衷，借助知识输出，能够认识更多的牛人,能够和牛人沟通，也是自己技术提升的一个机会。

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