1. Java内存模型(JMM)简介
Java内存模型（JMM）是一个规范，它定义了Java程序中变量的访问方式以及线程之间如何通过内存进行交云。主要关注点在于确保多线程环境下的一致性和线程安全问题。简单来说，它是在Java并发编程中一套规约，旨在解决可见性与有序性问题，确保共享变量在多线程中的正确和及时的可见，同时也避免指令重排引起的未定义行为。
1.1 认识JMM的重要性
在并发编程中，不正确的共享资源访问可能导致应用程序出现难以追踪和重现的bug。JMM的存在让Java开发者可以在编写并发代码时，遵循一组规则，而不是去担心不同硬件架构的内存模型。这大大降低了并发编程的复杂性，提高了开发效率。
1.2 JMM的定义和作用
JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系，确保了线程对变量修改的可见性以及操作的有序性。它为开发者提供了内存屏障（Memory Barriers），volatile和synchronized等工具来编写正确的并发程序。
1.3 JMM与硬件内存架构的关系
虽然JMM是在软件层面上的抽象，但其背后仍然与硬件层面密切相关。不同的CPU架构有不同的硬件内存模型，不过JMM屏蔽了这些差异性，为Java开发者提供了统一的模型。
2. 理解volatile关键字
在Java并发编程中，volatile是一个轻量级的同步机制，用于确保变量的更新对所有线程都是可见的。这意味着一个线程对这个变量的修改，对于其他线程来说是立即可见的，从而避免了线程在本地内存中缓存变量值的情况。
2.1 volatile的定义
volatile是一个类型修饰符。它告诉JVM以及编译器，这个变量是不稳定的，禁止执行排序优化，确保每次读取都是从主内存中进行。
2.2 如何使用volatile
public class SharedObject {
volatile int sharedCounter;
}
在上面的例子中，任何对sharedCounter的读写都将直接操作主内存中的变量值。
2.3 volatile的内存语义
当一个变量被声明为volatile后，任何写操作都将在写入前加入写屏障，任何读操作都将在读取后加入读屏障。这确保了volatile变量的写操作先行发生于读操作，满足了Happens-Before原则。
2.4 volatile实现可见性的机制
volatile通过内存屏障来禁止指令重排，从而确保了顺序性。同时，由于每次都是直接从主内存中读取，因此保证了一个线程修改的结果对其他线程可见，这就保障了可见性。
3. 探究Happens-Before原则
Happens-Before原则是Java内存模型中定义的一个重要概念，它为开发者提供了一种在多线程环境中推断操作顺序的方法。
3.1 Happens-Before原则的定义
Happens-Before关系是Java内存模型中用来保证程序执行的有序性和可见性的规则。如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的结果对后面的操作是可见的。
3.2 如何应用Happens-Before原则保证有序性和可见性
这个原则提供了8条规则，让开发者在编写并发程序时，能够判断操作之间的先后顺序和数据的可见性。这些规则使并发操作相对容易理解，并帮助避免并发编程中的常见错误。
4. Happens-Before在Java程序中的表现
Java内存模型通过Happens-Before原则建立了线程之间的操作顺序。以下是该原则下的具体规则：
4.1 程序次序规则
程序次序规则指，在同一个线程内，写在前面的操作Happens-Before写在后面的操作。这意味着单线程内保证了代码执行顺序，线程内部的操作是有序的。
int x = 10; // 操作A
int y = x + 5; // 操作B, B happens-before C
在同一线程中，操作B知道操作A发生了。
4.2 volatile变量规则
对一个volatile变量的写操作Happens-Before后续对该变量的读操作。
volatile boolean flag = false;
void writeFlag() {
flag = true; // 操作A
}
void readFlag() {
if (flag) { // 此操作B happens-before 之前的写操作A
// ...
}
}
这项规则确保了volatile变量写操作的可见性。
4.3 传递规则
如果操作A Happens-Before操作B，操作B Happens-Before操作C，那么操作A Happens-Before操作C。
public class TransitivenessExample {
volatile int stepOne = 0;
volatile int stepTwo = 0;
public void process() {
stepOne = 1; // 操作A
stepTwo = 2; // 操作B
}
public void otherProcess() {
if (stepTwo == 2) { // 此时操作B已经发生
int a = stepOne; // 操作C, 此操作可以确信拿到的stepOne为1
// 因为操作A happens-before 操作B, 操作B happens-before 操作C
// 所以操作A happens-before 操作C
// ...
}
}
}
4.4 锁定规则
对一个锁的解锁Happens-Before后面对这个锁的加锁。
public class LockRuleExample {
private int sharedState = 0;
private final Object lock = new Object();
public void writer() {
synchronized(lock) {
sharedState = 1; // 在锁内部进行写操作
} // 解锁操作 happends-before 加锁操作
}
public void reader() {
synchronized(lock) {
// ...
int value = sharedState; // 由于解锁happens-before加锁，因此这里可以安全读取到最新值
// ...
}
}
}
这项规则是synchronized实现线程安全的基础。
4.5 线程启动规则
主线程A启动子线程B的操作Happens-Before子线程B中的任何操作。
public class ThreadStartRuleExample {
private int state = 0;
public void startThread() {
Thread thread = new Thread(() -> {
state = 42; // 操作B，这个操作 happens-before 子线程内的任何操作
});
thread.start(); // 操作A happens-before 操作B
}
}
4.6 线程终结规则
线程中所有的操作Happens-Before检测到线程已经终止的操作，即线程中的任何操作都Happens-Before其他线程的join()。
public class ThreadEndRuleExample {
private int state = 0;
public void updateState() {
state = 42; // 子线程中的操作A
}
public void waitForThreadEnd(Thread thread) throws InterruptedException {
thread.join(); // 操作B happens-before 线程的所有操作A
int finalState = state; // 这里可以安全访问state
}
}
4.7 线程中断规则
对线程interrupt()的调用Happens-Before被中断线程发现中断事件的操作。
public class ThreadInterruptRuleExample {
public void interruptThread(Thread thread) {
thread.interrupt(); // 操作A happens-before 操作B
}
public void runInsideThread() {
try {
Thread.sleep(10000); // 假设在这里被中断操作A打断
} catch (InterruptedException e) {
boolean wasInterrupted = Thread.interrupted(); // 操作B，检测到中断
// 在这里处理中断
}
}
}
4.8 对象终结原则
一个对象的构造函数执行完毕Happens-Before它的finalize()方法的开始。
public class FinalizationRuleExample {
private int state;
public FinalizationRuleExample(int initialState) {
state = initialState; // 构造函数中的操作 happens-before finalize()方法的操作
}
@Override
protected void finalize() throws Throwable {
// 可以确信state被初始化过
super.finalize();
}
}
5. final关键字在并发编程中的作用
在Java中，final关键字被用来定义不可变对象和类中不可变的域，它也对内存模型有特殊的影响。
5.1 final的定义和用法
final关键字可以用于变量、方法和类。当一个变量被声明为final时，它的值一旦被初始化后就不能再更改。final方法不能被重写，final类不能被继承。
public final class Constants {
public static final int MAX_SIZE = 10;
}
上面的代码片段中MAX_SIZE就是一个不可变的常量。
5.2 final与不变模式
在并发编程中，不变模式（Immutable Pattern）是一种编程范式，其中的对象一旦创建，它的状态就不会改变。利用final字段可以实现不变模式，这对于编写线程安全的代码非常有帮助，因为不变对象天然线程安全。
public final class ImmutableValue {
private final int value;
public ImmutableValue(int value) {
this.value = value;
}
public int getValue() {
return value;
}
}
上述类的实例一旦创建，其状态不能改变，因此在多线程环境下是安全的。
5.3 final如何影响内存模型
根据Java内存模型，对于构造函数内对一个final字段的写入，以及随后对这个final字段的读取，存在Happens-Before关系。这意味着对象引用为任何线程所见之前，对象的final字段已经被初始化完成，并且其值对其它线程是可见的。这提供了一种无需同步的方式来共享对象。
6. 深入剖析JMM的底层实现机制
为了保证多线程程序执行的一致性和互斥性，Java内存模型定义了一套规范，并在底层实现上支持这些规定，以确保不同的Java平台实现能提供一致的内存可见性保证。
6.1 编译器优化与内存屏障
在Java程序运行时，JVM需要对字节码进行优化，以提高程序运行效率。这其中包括了重排序等各种优化手段。为了不破坏内存模型的规定，需要在关键位置插入内存屏障来阻止这些优化过程越过一定的边界。
volatile int a = 0;
// 在写操作后，会有写屏障
a = 1;
// 在后面的读操作前，会有读屏障
int b = a;
在以上代码中，volatile变量的写之后，会有一个写屏障，确保写操作不会与后续任何可能的读写操作重排序。类似地，读操作之前会有读屏障，以确保读操作不会与前面的任何操作重排序。
6.2 硬件层面的支持
硬件层面，Java内存模型的实现依靠处理器提供的各种内存屏障指令。这些指令保证了内存操作的有序性和可见性。
6.3 实例分析：从底层理解JMM
让我们通过一个例子来具体了解底层是如何实现Java内存模型的：
class JMMExample {
private volatile boolean flag = false;
public void writer() {
flag = true; // 写操作
// 此处会插入写屏障
}
public void reader() {
// 此处会插入读屏障
if (flag) {
// 执行其他操作
}
}
}
在writer方法中设置flag为true时会插入写屏障，以防止该操作与后面的任何操作发生重排序。在reader方法中，则会插入读屏障，以确保它读到的flag值是最新的状态。
