引言

上一节咱们讲到在并发场景中，因可见性、原子性、有序性导致的问题经常会违反咱们的直觉，从而成为并发编程的 Bug 之源。这三者在编程畛域属于共性问题，所有的编程语言都会遇到，Java 在诞生之初就反对多线程，天然也有针对这三者的技术计划，而且在编程语言畛域处于领先地位。了解 Java 解决并发问题的解决方案，对于了解其余语言的解决方案有举一反三的成果。

那咱们就先来聊聊如何解决其中的可见性和有序性导致的问题，这也就引出来了明天的配角——Java 内存模型。

Java 内存模型这个概念，退职场的很多面试中都会考核到，是一个热门的考点，也是一个人并发程度的具体体现。起因是当并发程序出问题时，须要一行一行地查看代码，这个时候，只有把握 Java 内存模型，能力慧眼如炬地发现问题。

什么是 Java 内存模型？

你曾经晓得，导致可见性的起因是缓存，导致有序性的起因是编译优化，那解决可见性、有序性最间接的方法就是禁用缓存和编译优化，然而这样问题尽管解决了，咱们程序的性能可就堪忧了。

正当的计划应该是按需 禁用缓存以及编译优化。那么，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程序员晓得，那所谓“按需禁用”其实就是指依照程序员的要求来禁用。所以，为了解决可见性和有序性问题，只须要提供给程序员按需禁用缓存和编译优化的办法即可。

Java 内存模型是个很简单的标准，能够从不同的视角来解读，站在咱们这些程序员的视角，实质上能够了解为，Java 内存模型标准了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的办法。具体来说，这些办法包含 volatile、synchronized 和 final 三个关键字，以及六项 Happens-Before 规定，这也正是本期的重点内容。

应用 volatile 的困惑

volatile 关键字并不是 Java 语言的特产，古老的 C 语言里也有，它最原始的意义就是禁用 CPU 缓存。

例如，咱们申明一个 volatile 变量 volatile int x = 0，它表白的是：通知编译器，对这个变量的读写，不能应用 CPU 缓存，必须从内存中读取或者写入。这个语义看上去相当明确，然而在理论应用的时候却会带来困惑。

例如上面的示例代码，假如线程 A 执行 writer()办法，依照 volatile 语义，会把变量“v=true”写入内存；假如线程 B 执行 reader()办法，同样依照 volatile 语义，线程 B 会从内存中读取变量 v，如果线程 B 看到“v == true”时，那么线程 B 看到的变量 x 是多少呢？

直觉上看，应该是 42，那理论应该是多少呢？这个要看 Java 的版本，如果在低于 1.5 版本上运行，x 可能是 42，也有可能是 0；如果在 1.5 以上的版本上运行，x 就是等于 42。

    class VolatileExample {
          int x = 0;
          volatile boolean v = false;
          public void writer() {
            x = 42;
            v = true;
          }
          public void reader() {if (v == true) {// 这里 x 会是多少呢？}
          }
    }

剖析一下，为什么 1.5 以前的版本会呈现 x = 0 的状况呢？我置信你肯定想到了，变量 x 可能被 CPU 缓存而导致可见性问题。这个问题在 1.5 版本曾经被圆满解决了。Java 内存模型在 1.5 版本对 volatile 语义进行了加强。怎么加强的呢？答案是一项 Happens-Before 规定。

Happens-Before 规定

如何了解 Happens-Before 呢？如果顾名思义（很多网文也都爱按字面意思翻译成“后行产生”），那就背道而驰了，Happens-Before 并不是说后面一个操作产生在后续操作的后面，它真正要表白的是：后面一个操作的后果对后续操作是可见的。就像有心灵感应的两个人，尽管远隔千里，一个人心之所想，另一个人都看失去。Happens-Before 规定就是要保障线程之间的这种“心灵感应”。所以比拟正式的说法是：Happens-Before 束缚了编译器的优化行为，虽容许编译器优化，然而要求编译器优化后肯定恪守 Happens-Before 规定。

Happens-Before 规定应该是 Java 内存模型外面最艰涩的内容了，和程序员相干的规定一共有如下六项，都是对于可见性的。

恰好后面示例代码波及到这六项规定中的前三项，为便于你了解，我也会剖析下面的示例代码，来看看规定 1、2 和 3 到底该如何了解。至于其余三项，我也会联合其余例子作以阐明。

1. 程序的程序性规定
这条规定是指在一个线程中，依照程序程序，后面的操作 Happens-Before 于后续的任意操作。这还是比拟容易了解的，比方方才那段示例代码，依照程序的程序，代码“x = 42;”Happens-Before 于代码“v = true;”，这就是规定 1 的内容，也比拟合乎单线程外面的思维：程序后面对某个变量的批改肯定是对后续操作可见的。
2. volatile 变量规定
这条规定是指对一个 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 变量的写操作绝对于后续对这个 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动啊？如果单看这个规定，确实是这样，然而如果咱们关联一下规定 3，就有点不一样的感觉了。
3. 传递性
这条规定是指如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。

咱们将规定 3 的传递性利用到咱们的例子中，会产生什么呢？能够看上面这幅图：

从图中，咱们能够看到：

1. “x=42”Happens-Before 写变量“v=true”，这是规定 1 的内容；
2. 写变量“v=true”Happens-Before 读变量“v=true”，这是规定 2 的内容。

再依据这个传递性规定，咱们失去后果：“x=42”Happens-Before 读变量“v=true”。这意味着什么呢？

如果线程 B 读到了“v=true”，那么线程 A 设置的“x=42”对线程 B 是可见的。也就是说，线程 B 能看到“x == 42”，有没有一种豁然开朗的感觉？这就是 1.5 版本对 volatile 语义的加强，这个加强意义重大，1.5 版本的并发工具包（java.util.concurrent）就是靠 volatile 语义来搞定可见性的，这个在前面的内容中会具体介绍。
4. 管程中锁的规定
这条规定是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。

要了解这个规定，就首先要理解“管程指的是什么”。管程 是一种通用的同步原语，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，例如上面的代码，在进入同步块之前，会主动加锁，而在代码块执行完会主动开释锁，加锁以及开释锁都是编译器帮咱们实现的。

    synchronized (this) { // 此处主动加锁
      // x 是共享变量, 初始值 =10
      if (this.x < 12) {this.x = 12;}  
    } // 此处主动解锁

所以联合规定 4——管程中锁的规定，能够这样了解：假如 x 的初始值是 10，线程 A 执行完代码块后 x 的值会变成 12（执行完主动开释锁），线程 B 进入代码块时，可能看到线程 A 对 x 的写操作，也就是线程 B 可能看到 x ==12。这个也是合乎咱们直觉的，应该不难理解。
5. 线程 start() 规定
这条是对于线程启动的。它是指主线程 A 启动子线程 B 后，子线程 B 可能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() 办法（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。具体可参考上面示例代码。

    Thread B = new Thread(()->{// 主线程调用 B.start()之前
      // 所有对共享变量的批改，此处皆可见
      // 此例中，var==77
    });
    // 此处对共享变量 var 批改
    var = 77;
    // 主线程启动子线程
    B.start();

6. 线程 join() 规定
这条是对于线程期待的。它是指主线程 A 期待子线程 B 实现（主线程 A 通过调用子线程 B 的 join()办法实现），当子线程 B 实现后（主线程 A 中 join()办法返回），主线程可能看到子线程的操作。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() 并胜利返回，那么线程 B 中的任意操作 Happens-Before 于该 join() 操作的返回。具体可参考上面示例代码。

    Thread B = new Thread(()->{
      // 此处对共享变量 var 批改
      var = 66;
    });
    // 例如此处对共享变量批改，// 则这个批改后果对线程 B 可见
    // 主线程启动子线程
    B.start();
    B.join()
    // 子线程所有对共享变量的批改
    // 在主线程调用 B.join()之后皆可见
    // 此例中，var==66

被咱们漠视的 final

后面咱们讲 volatile 为的是禁用缓存以及编译优化，咱们再从另外一个方面来看，有没有方法通知编译器优化得更好一点呢？这个能够有，就是 final 关键字。

final 润饰变量时，初衷是通知编译器：这个变量生而不变，能够可劲儿优化。Java 编译器在 1.5 以前的版本确实优化得很致力，以至于都优化错了。

问题相似于上一期提到的利用双重查看办法创立单例，构造函数的谬误重排导致线程可能看到 final 变量的值会变动。具体的案例能够参考这个文档。

当然了，在 1.5 当前 Java 内存模型对 final 类型变量的重排进行了束缚。当初只有咱们提供正确构造函数没有“逸出”，就不会出问题了。

“逸出”有点形象，咱们还是举个例子吧，在上面例子中，在构造函数外面将 this 赋值给了全局变量 global.obj，这就是“逸出”，线程通过 global.obj 读取 x 是有可能读到 0 的。因而咱们肯定要防止“逸出”。

    final int x;
    // 谬误的构造函数
    public FinalFieldExample() { 
      x = 3;
      y = 4;
      // 此处就是讲 this 逸出，global.obj = this;
    }

小结

Java 的内存模型是并发编程畛域的一次重要翻新，之后 C ++、C#、Golang 等高级语言都开始反对内存模型。Java 内存模型外面，最艰涩的局部就是 Happens-Before 规定了，Happens-Before 规定最后是在一篇叫做 Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System 的论文中提出来的，在这篇论文中，Happens-Before 的语义是一种因果关系。在事实世界里，如果 A 事件是导致 B 事件的起因，那么 A 事件肯定是先于（Happens-Before）B 事件产生的，这个就是 Happens-Before 语义的事实了解。

在 Java 语言外面，Happens-Before 的语义实质上是一种可见性，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 事件是否产生在同一个线程里。例如 A 事件产生在线程 1 上，B 事件产生在线程 2 上，Happens-Before 规定保障线程 2 上也能看到 A 事件的产生。

Java 内存模型次要分为两局部，一部分面向你我这种编写并发程序的利用开发人员，另一部分是面向 JVM 的实现人员的，咱们能够重点关注前者，也就是和编写并发程序相干的局部，这部分内容的外围就是 Happens-Before 规定。置信通过本章的介绍，你应该对这部分内容曾经有了深刻的意识。

参考文献

JSR 133 (Java Memory Model) FAQ
Java 内存模型 FAQ