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一：JMM基礎(chǔ)與happens-before

并發(fā)編程模型的分類

在并發(fā)編程中，我們需要處理兩個關(guān)鍵問題：線程之間如何通信及線程之間如何同步（這里的線程是指并發(fā)執(zhí)行的活動實(shí)體）。通信是指線程之間以何種機(jī)制來交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機(jī)制有兩種：共享內(nèi)存和消息傳遞。

在共享內(nèi)存的并發(fā)模型里，線程之間共享程序的公共狀態(tài)，線程之間通過寫-讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)來隱式進(jìn)行通信。在消息傳遞的并發(fā)模型里，線程之間沒有公共狀態(tài)，線程之間必須通過明確的發(fā)送消息來顯式進(jìn)行通信。

同步是指程序用于控制不同線程之間操作發(fā)生相對順序的機(jī)制。在共享內(nèi)存并發(fā)模型里，同步是顯式進(jìn)行的。程序員必須顯式指定某個方法或某段代碼需要在線程之間互斥執(zhí)行。在消息傳遞的并發(fā)模型里，由于消息的發(fā)送必須在消息的接收之前，因此同步是隱式進(jìn)行的。

Java內(nèi)存模型的抽象

Java的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型，Java線程之間的通信總是隱式進(jìn)行，整個通信過程對程序員完全透明。如果編寫多線程程序的Java程序員不理解隱式進(jìn)行的線程之間通信的工作機(jī)制，很可能會遇到各種奇怪的內(nèi)存可見性問題。

在java中，所有實(shí)例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素存儲在堆內(nèi)存中，堆內(nèi)存在線程之間共享（本文使用“共享變量”這個術(shù)語代指實(shí)例域，靜態(tài)域和數(shù)組元素）。局部變量（Local variables），方法定義參數(shù)（java語言規(guī)范稱之為formal method parameters）和異常處理器參數(shù)（exception handler parameters）不會在線程之間共享，它們不會有內(nèi)存可見性問題，也不受內(nèi)存模型的影響。

Java線程之間的通信由Java內(nèi)存模型（本文簡稱為JMM）控制，JMM決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見。從抽象的角度來看，JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：線程之間的共享變量存儲在主內(nèi)存（main memory）中，每個線程都有一個私有的本地內(nèi)存（local memory），本地內(nèi)存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本。本地內(nèi)存是JMM的一個抽象概念，并不真實(shí)存在。它涵蓋了緩存，寫緩沖區(qū)，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。Java內(nèi)存模型的抽象示意圖如下：

從上圖來看，線程A與線程B之間如要通信的話，必須要經(jīng)歷下面2個步驟：

1. 首先，線程A把本地內(nèi)存A中更新過的共享變量刷新到主內(nèi)存中去。
2. 然后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A之前已更新過的共享變量。

下面通過示意圖來說明這兩個步驟：

如上圖所示，本地內(nèi)存A和B有主內(nèi)存中共享變量x的副本。假設(shè)初始時，這三個內(nèi)存中的x值都為0。線程A在執(zhí)行時，把更新后的x值（假設(shè)值為1）臨時存放在自己的本地內(nèi)存A中。當(dāng)線程A和線程B需要通信時，線程A首先會把自己本地內(nèi)存中修改后的x值刷新到主內(nèi)存中，此時主內(nèi)存中的x值變?yōu)榱?。隨后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A更新后的x值，此時線程B的本地內(nèi)存的x值也變?yōu)榱?。

從整體來看，這兩個步驟實(shí)質(zhì)上是線程A在向線程B發(fā)送消息，而且這個通信過程必須要經(jīng)過主內(nèi)存。JMM通過控制主內(nèi)存與每個線程的本地內(nèi)存之間的交互，來為java程序員提供內(nèi)存可見性保證。

重排序

在執(zhí)行程序時為了提高性能，編譯器和處理器常常會對指令做重排序。重排序分三種類型：

1. 編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執(zhí)行順序。
2. 指令級并行的重排序。現(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術(shù)（Instruction-Level Parallelism， ILP）來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。
3. 內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

從java源代碼到最終實(shí)際執(zhí)行的指令序列，會分別經(jīng)歷下面三種重排序：

上述的1屬于編譯器重排序，2和3屬于處理器重排序。這些重排序都可能會導(dǎo)致多線程程序出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題。對于編譯器，JMM的編譯器重排序規(guī)則會禁止特定類型的編譯器重排序（不是所有的編譯器重排序都要禁止）。對于處理器重排序，JMM的處理器重排序規(guī)則會要求java編譯器在生成指令序列時，插入特定類型的內(nèi)存屏障（memory barriers，intel稱之為memory fence）指令，通過內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序（不是所有的處理器重排序都要禁止）。

JMM屬于語言級的內(nèi)存模型，它確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺之上，通過禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序，為程序員提供一致的內(nèi)存可見性保證。

處理器重排序與內(nèi)存屏障指令

現(xiàn)代的處理器使用寫緩沖區(qū)來臨時保存向內(nèi)存寫入的數(shù)據(jù)。寫緩沖區(qū)可以保證指令流水線持續(xù)運(yùn)行，它可以避免由于處理器停頓下來等待向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的延遲。同時，通過以批處理的方式刷新寫緩沖區(qū)，以及合并寫緩沖區(qū)中對同一內(nèi)存地址的多次寫，可以減少對內(nèi)存總線的占用。雖然寫緩沖區(qū)有這么多好處，但每個處理器上的寫緩沖區(qū)，僅僅對它所在的處理器可見。這個特性會對內(nèi)存操作的執(zhí)行順序產(chǎn)生重要的影響：處理器對內(nèi)存的讀/寫操作的執(zhí)行順序，不一定與內(nèi)存實(shí)際發(fā)生的讀/寫操作順序一致！為了具體說明，請看下面示例：

Processor A	Processor B
a = 1; //A1x = b; //A2	b = 2; //B1y = a; //B2
初始狀態(tài)：a = b = 0處理器允許執(zhí)行后得到結(jié)果：x = y = 0

假設(shè)處理器A和處理器B按程序的順序并行執(zhí)行內(nèi)存訪問，最終卻可能得到x = y = 0的結(jié)果。具體的原因如下圖所示：

這里處理器A和處理器B可以同時把共享變量寫入自己的寫緩沖區(qū)（A1，B1），然后從內(nèi)存中讀取另一個共享變量（A2，B2），最后才把自己寫緩存區(qū)中保存的臟數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中（A3，B3）。當(dāng)以這種時序執(zhí)行時，程序就可以得到x = y = 0的結(jié)果。

從內(nèi)存操作實(shí)際發(fā)生的順序來看，直到處理器A執(zhí)行A3來刷新自己的寫緩存區(qū)，寫操作A1才算真正執(zhí)行了。雖然處理器A執(zhí)行內(nèi)存操作的順序?yàn)椋篈1->A2，但內(nèi)存操作實(shí)際發(fā)生的順序卻是：A2->A1。此時，處理器A的內(nèi)存操作順序被重排序了（處理器B的情況和處理器A一樣，這里就不贅述了）。

這里的關(guān)鍵是，由于寫緩沖區(qū)僅對自己的處理器可見，它會導(dǎo)致處理器執(zhí)行內(nèi)存操作的順序可能會與內(nèi)存實(shí)際的操作執(zhí)行順序不一致。由于現(xiàn)代的處理器都會使用寫緩沖區(qū)，因此現(xiàn)代的處理器都會允許對寫-讀操做重排序。

下面是常見處理器允許的重排序類型的列表：

?	Load-Load	Load-Store	Store-Store	Store-Load	數(shù)據(jù)依賴
sparc-TSO	N	N	N	Y	N
x86	N	N	N	Y	N
ia64	Y	Y	Y	Y	N
PowerPC	Y	Y	Y	Y	N

上表單元格中的“N”表示處理器不允許兩個操作重排序，“Y”表示允許重排序。

從上表我們可以看出：常見的處理器都允許Store-Load重排序；常見的處理器都不允許對存在數(shù)據(jù)依賴的操作做重排序。sparc-TSO和x86擁有相對較強(qiáng)的處理器內(nèi)存模型，它們僅允許對寫-讀操作做重排序（因?yàn)樗鼈兌际褂昧藢懢彌_區(qū)）。

※注1：sparc-TSO是指以TSO(Total Store Order)內(nèi)存模型運(yùn)行時，sparc處理器的特性。

※注2：上表中的x86包括x64及AMD64。

※注3：由于ARM處理器的內(nèi)存模型與PowerPC處理器的內(nèi)存模型非常類似，本文將忽略它。

※注4：數(shù)據(jù)依賴性后文會專門說明。

為了保證內(nèi)存可見性，java編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。JMM把內(nèi)存屏障指令分為下列四類：

屏障類型	指令示例	說明
LoadLoad Barriers	Load1; LoadLoad; Load2	確保Load1數(shù)據(jù)的裝載，之前于Load2及所有后續(xù)裝載指令的裝載。
StoreStore Barriers	Store1; StoreStore; Store2	確保Store1數(shù)據(jù)對其他處理器可見（刷新到內(nèi)存），之前于Store2及所有后續(xù)存儲指令的存儲。
LoadStore Barriers	Load1; LoadStore; Store2	確保Load1數(shù)據(jù)裝載，之前于Store2及所有后續(xù)的存儲指令刷新到內(nèi)存。
StoreLoad Barriers	Store1; StoreLoad; Load2	確保Store1數(shù)據(jù)對其他處理器變得可見（指刷新到內(nèi)存），之前于Load2及所有后續(xù)裝載指令的裝載。StoreLoad Barriers會使該屏障之前的所有內(nèi)存訪問指令（存儲和裝載指令）完成之后，才執(zhí)行該屏障之后的內(nèi)存訪問指令。

StoreLoad Barriers是一個“全能型”的屏障，它同時具有其他三個屏障的效果?，F(xiàn)代的多處理器大都支持該屏障（其他類型的屏障不一定被所有處理器支持）。執(zhí)行該屏障開銷會很昂貴，因?yàn)楫?dāng)前處理器通常要把寫緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部刷新到內(nèi)存中（buffer fully flush）。

happens-before

從JDK5開始，java使用新的JSR -133內(nèi)存模型（本文除非特別說明，針對的都是JSR- 133內(nèi)存模型）。JSR-133提出了happens-before的概念，通過這個概念來闡述操作之間的內(nèi)存可見性。如果一個操作執(zhí)行的結(jié)果需要對另一個操作可見，那么這兩個操作之間必須存在happens-before關(guān)系。這里提到的兩個操作既可以是在一個線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間。 與程序員密切相關(guān)的happens-before規(guī)則如下：

• 程序順序規(guī)則：一個線程中的每個操作，happens- before 于該線程中的任意后續(xù)操作。
• 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個監(jiān)視器鎖的解鎖，happens- before 于隨后對這個監(jiān)視器鎖的加鎖。
• volatile變量規(guī)則：對一個volatile域的寫，happens- before 于任意后續(xù)對這個volatile域的讀。
• 傳遞性：如果A happens- before B，且B happens- before C，那么A happens- before C。

注意，兩個操作之間具有happens-before關(guān)系，并不意味著前一個操作必須要在后一個操作之前執(zhí)行！happens-before僅僅要求前一個操作（執(zhí)行的結(jié)果）對后一個操作可見，且前一個操作按順序排在第二個操作之前（the first is visible to and ordered before the second）。happens- before的定義很微妙，后文會具體說明happens-before為什么要這么定義。

happens-before與JMM的關(guān)系如下圖所示：

如上圖所示，一個happens-before規(guī)則通常對應(yīng)于多個編譯器重排序規(guī)則和處理器重排序規(guī)則。對于java程序員來說，happens-before規(guī)則簡單易懂，它避免程序員為了理解JMM提供的內(nèi)存可見性保證而去學(xué)習(xí)復(fù)雜的重排序規(guī)則以及這些規(guī)則的具體實(shí)現(xiàn)。

二：重排序與JMM的as-if-serial

數(shù)據(jù)依賴性

如果兩個操作訪問同一個變量，且這兩個操作中有一個為寫操作，此時這兩個操作之間就存在數(shù)據(jù)依賴性。數(shù)據(jù)依賴分下列三種類型：

名稱	代碼示例	說明
寫后讀	a = 1;b = a;	寫一個變量之后，再讀這個位置。
寫后寫	a = 1;a = 2;	寫一個變量之后，再寫這個變量。
讀后寫	a = b;b = 1;	讀一個變量之后，再寫這個變量。

上面三種情況，只要重排序兩個操作的執(zhí)行順序，程序的執(zhí)行結(jié)果將會被改變。

注意，這里所說的數(shù)據(jù)依賴性僅針對單個處理器中執(zhí)行的指令序列和單個線程中執(zhí)行的操作，不同處理器之間和不同線程之間的數(shù)據(jù)依賴性不被編譯器和處理器考慮。前面提到過，編譯器和處理器可能會對操作做重排序。編譯器和處理器在重排序時，會遵守數(shù)據(jù)依賴性，編譯器和處理器不會改變存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的兩個操作的執(zhí)行順序。

as-if-serial語義

as-if-serial語義的意思指：不管怎么重排序（編譯器和處理器為了提高并行度），（單線程）程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。編譯器，runtime 和處理器都必須遵守as-if-serial語義。

為了遵守as-if-serial語義，編譯器和處理器不會對存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作做重排序，因?yàn)檫@種重排序會改變執(zhí)行結(jié)果。但是，如果操作之間不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，這些操作可能被編譯器和處理器重排序。為了具體說明，請看下面計(jì)算圓面積的代碼示例：

double pi = 3.14; //A

double r = 1.0; //B

double area = pi * r * r; //C

上面三個操作的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系如下圖所示：

如上圖所示，A和C之間存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，同時B和C之間也存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。因此在最終執(zhí)行的指令序列中，C不能被重排序到A和B的前面（C排到A和B的前面，程序的結(jié)果將會被改變）。但A和B之間沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可以重排序A和B之間的執(zhí)行順序。下圖是該程序的兩種執(zhí)行順序：

as-if-serial語義把單線程程序保護(hù)了起來，遵守as-if-serial語義的編譯器，runtime 和處理器共同為編寫單線程程序的程序員創(chuàng)建了一個幻覺：單線程程序是按程序的順序來執(zhí)行的。as-if-serial語義使單線程程序員無需擔(dān)心重排序會干擾他們，也無需擔(dān)心內(nèi)存可見性問題。

程序順序規(guī)則

根據(jù)happens- before的程序順序規(guī)則，上面計(jì)算圓的面積的示例代碼存在三個happens- before關(guān)系：

1. A happens- before B；
2. B happens- before C；
3. A happens- before C；

這里的第3個happens- before關(guān)系，是根據(jù)happens- before的傳遞性推導(dǎo)出來的。

這里A happens- before B，但實(shí)際執(zhí)行時B卻可以排在A之前執(zhí)行（看上面的重排序后的執(zhí)行順序）。在第一章提到過，如果A happens- before B，JMM并不要求A一定要在B之前執(zhí)行。JMM僅僅要求前一個操作（執(zhí)行的結(jié)果）對后一個操作可見，且前一個操作按順序排在第二個操作之前。這里操作A的執(zhí)行結(jié)果不需要對操作B可見；而且重排序操作A和操作B后的執(zhí)行結(jié)果，與操作A和操作B按happens- before順序執(zhí)行的結(jié)果一致。在這種情況下，JMM會認(rèn)為這種重排序并不非法（not illegal），JMM允許這種重排序。

在計(jì)算機(jī)中，軟件技術(shù)和硬件技術(shù)有一個共同的目標(biāo)：在不改變程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能的開發(fā)并行度。編譯器和處理器遵從這一目標(biāo)，從happens- before的定義我們可以看出，JMM同樣遵從這一目標(biāo)。

重排序?qū)Χ嗑€程的影響

現(xiàn)在讓我們來看看，重排序是否會改變多線程程序的執(zhí)行結(jié)果。請看下面的示例代碼：

class ReorderExample {

int a = 0;

boolean flag = false;

public void writer() {

a = 1; //1

flag = true; //2

}

Public void reader() {

if (flag) { //3

int i = a * a; //4

……

}

}

}

flag變量是個標(biāo)記，用來標(biāo)識變量a是否已被寫入。這里假設(shè)有兩個線程A和B，A首先執(zhí)行writer()方法，隨后B線程接著執(zhí)行reader()方法。線程B在執(zhí)行操作4時，能否看到線程A在操作1對共享變量a的寫入？

答案是：不一定能看到。

由于操作1和操作2沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器可以對這兩個操作重排序；同樣，操作3和操作4沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，編譯器和處理器也可以對這兩個操作重排序。讓我們先來看看，當(dāng)操作1和操作2重排序時，可能會產(chǎn)生什么效果？請看下面的程序執(zhí)行時序圖：

如上圖所示，操作1和操作2做了重排序。程序執(zhí)行時，線程A首先寫標(biāo)記變量flag，隨后線程B讀這個變量。由于條件判斷為真，線程B將讀取變量a。此時，變量a還根本沒有被線程A寫入，在這里多線程程序的語義被重排序破壞了！

※注：本文統(tǒng)一用紅色的虛箭線表示錯誤的讀操作，用綠色的虛箭線表示正確的讀操作。

下面再讓我們看看，當(dāng)操作3和操作4重排序時會產(chǎn)生什么效果（借助這個重排序，可以順便說明控制依賴性）。下面是操作3和操作4重排序后，程序的執(zhí)行時序圖：

在程序中，操作3和操作4存在控制依賴關(guān)系。當(dāng)代碼中存在控制依賴性時，會影響指令序列執(zhí)行的并行度。為此，編譯器和處理器會采用猜測（Speculation）執(zhí)行來克服控制相關(guān)性對并行度的影響。以處理器的猜測執(zhí)行為例，執(zhí)行線程B的處理器可以提前讀取并計(jì)算a*a，然后把計(jì)算結(jié)果臨時保存到一個名為重排序緩沖（reorder buffer ROB）的硬件緩存中。當(dāng)接下來操作3的條件判斷為真時，就把該計(jì)算結(jié)果寫入變量i中。

從圖中我們可以看出，猜測執(zhí)行實(shí)質(zhì)上對操作3和4做了重排序。重排序在這里破壞了多線程程序的語義！

在單線程程序中，對存在控制依賴的操作重排序，不會改變執(zhí)行結(jié)果（這也是as-if-serial語義允許對存在控制依賴的操作做重排序的原因）；但在多線程程序中，對存在控制依賴的操作重排序，可能會改變程序的執(zhí)行結(jié)果。

三：順序一致性內(nèi)存模型與JMM

數(shù)據(jù)競爭與順序一致性保證

當(dāng)程序未正確同步時，就會存在數(shù)據(jù)競爭。java內(nèi)存模型規(guī)范對數(shù)據(jù)競爭的定義如下：

• 在一個線程中寫一個變量，
• 在另一個線程讀同一個變量，
• 而且寫和讀沒有通過同步來排序。

當(dāng)代碼中包含數(shù)據(jù)競爭時，程序的執(zhí)行往往產(chǎn)生違反直覺的結(jié)果（前一章的示例正是如此）。如果一個多線程程序能正確同步，這個程序?qū)⑹且粋€沒有數(shù)據(jù)競爭的程序。

JMM對正確同步的多線程程序的內(nèi)存一致性做了如下保證：

• 如果程序是正確同步的，程序的執(zhí)行將具有順序一致性（sequentially consistent）--即程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果相同（馬上我們將會看到，這對于程序員來說是一個極強(qiáng)的保證）。這里的同步是指廣義上的同步，包括對常用同步原語（lock，volatile和final）的正確使用。

順序一致性內(nèi)存模型

順序一致性內(nèi)存模型是一個被計(jì)算機(jī)科學(xué)家理想化了的理論參考模型，它為程序員提供了極強(qiáng)的內(nèi)存可見性保證。順序一致性內(nèi)存模型有兩大特性：

• 一個線程中的所有操作必須按照程序的順序來執(zhí)行。
• （不管程序是否同步）所有線程都只能看到一個單一的操作執(zhí)行順序。在順序一致性內(nèi)存模型中，每個操作都必須原子執(zhí)行且立刻對所有線程可見。

順序一致性內(nèi)存模型為程序員提供的視圖如下：

在概念上，順序一致性模型有一個單一的全局內(nèi)存，這個內(nèi)存通過一個左右擺動的開關(guān)可以連接到任意一個線程。同時，每一個線程必須按程序的順序來執(zhí)行內(nèi)存讀/寫操作。從上圖我們可以看出，在任意時間點(diǎn)最多只能有一個線程可以連接到內(nèi)存。當(dāng)多個線程并發(fā)執(zhí)行時，圖中的開關(guān)裝置能把所有線程的所有內(nèi)存讀/寫操作串行化。

為了更好的理解，下面我們通過兩個示意圖來對順序一致性模型的特性做進(jìn)一步的說明。

假設(shè)有兩個線程A和B并發(fā)執(zhí)行。其中A線程有三個操作，它們在程序中的順序是：A1->A2->A3。B線程也有三個操作，它們在程序中的順序是：B1->B2->B3。

假設(shè)這兩個線程使用監(jiān)視器來正確同步：A線程的三個操作執(zhí)行后釋放監(jiān)視器，隨后B線程獲取同一個監(jiān)視器。那么程序在順序一致性模型中的執(zhí)行效果將如下圖所示：

現(xiàn)在我們再假設(shè)這兩個線程沒有做同步，下面是這個未同步程序在順序一致性模型中的執(zhí)行示意圖：

未同步程序在順序一致性模型中雖然整體執(zhí)行順序是無序的，但所有線程都只能看到一個一致的整體執(zhí)行順序。以上圖為例，線程A和B看到的執(zhí)行順序都是：B1->A1->A2->B2->A3->B3。之所以能得到這個保證是因?yàn)轫樞蛞恢滦詢?nèi)存模型中的每個操作必須立即對任意線程可見。

但是，在JMM中就沒有這個保證。未同步程序在JMM中不但整體的執(zhí)行順序是無序的，而且所有線程看到的操作執(zhí)行順序也可能不一致。比如，在當(dāng)前線程把寫過的數(shù)據(jù)緩存在本地內(nèi)存中，且還沒有刷新到主內(nèi)存之前，這個寫操作僅對當(dāng)前線程可見；從其他線程的角度來觀察，會認(rèn)為這個寫操作根本還沒有被當(dāng)前線程執(zhí)行。只有當(dāng)前線程把本地內(nèi)存中寫過的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存之后，這個寫操作才能對其他線程可見。在這種情況下，當(dāng)前線程和其它線程看到的操作執(zhí)行順序?qū)⒉灰恢隆?/p>

同步程序的順序一致性效果

下面我們對前面的示例程序ReorderExample用監(jiān)視器來同步，看看正確同步的程序如何具有順序一致性。

請看下面的示例代碼：

class SynchronizedExample {

int a = 0;

boolean flag = false;

public synchronized void writer() {

a = 1;

flag = true;

}

public synchronized void reader() {

if (flag) {

int i = a;

……

}

}

}

上面示例代碼中，假設(shè)A線程執(zhí)行writer()方法后，B線程執(zhí)行reader()方法。這是一個正確同步的多線程程序。根據(jù)JMM規(guī)范，該程序的執(zhí)行結(jié)果將與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果相同。下面是該程序在兩個內(nèi)存模型中的執(zhí)行時序?qū)Ρ葓D：

在順序一致性模型中，所有操作完全按程序的順序串行執(zhí)行。而在JMM中，臨界區(qū)內(nèi)的代碼可以重排序（但JMM不允許臨界區(qū)內(nèi)的代碼“逸出”到臨界區(qū)之外，那樣會破壞監(jiān)視器的語義）。JMM會在退出監(jiān)視器和進(jìn)入監(jiān)視器這兩個關(guān)鍵時間點(diǎn)做一些特別處理，使得線程在這兩個時間點(diǎn)具有與順序一致性模型相同的內(nèi)存視圖（具體細(xì)節(jié)后文會說明）。雖然線程A在臨界區(qū)內(nèi)做了重排序，但由于監(jiān)視器的互斥執(zhí)行的特性，這里的線程B根本無法“觀察”到線程A在臨界區(qū)內(nèi)的重排序。這種重排序既提高了執(zhí)行效率，又沒有改變程序的執(zhí)行結(jié)果。

從這里我們可以看到JMM在具體實(shí)現(xiàn)上的基本方針：在不改變（正確同步的）程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能的為編譯器和處理器的優(yōu)化打開方便之門。

未同步程序的執(zhí)行特性

對于未同步或未正確同步的多線程程序，JMM只提供最小安全性：線程執(zhí)行時讀取到的值，要么是之前某個線程寫入的值，要么是默認(rèn)值（0，null，false），JMM保證線程讀操作讀取到的值不會無中生有（out of thin air）的冒出來。為了實(shí)現(xiàn)最小安全性，JVM在堆上分配對象時，首先會清零內(nèi)存空間，然后才會在上面分配對象（JVM內(nèi)部會同步這兩個操作）。因此，在以清零的內(nèi)存空間（pre-zeroed memory）分配對象時，域的默認(rèn)初始化已經(jīng)完成了。

JMM不保證未同步程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果一致。因?yàn)槲赐匠绦蛟陧樞蛞恢滦阅Ｐ椭袌?zhí)行時，整體上是無序的，其執(zhí)行結(jié)果無法預(yù)知。保證未同步程序在兩個模型中的執(zhí)行結(jié)果一致毫無意義。

和順序一致性模型一樣，未同步程序在JMM中的執(zhí)行時，整體上也是無序的，其執(zhí)行結(jié)果也無法預(yù)知。同時，未同步程序在這兩個模型中的執(zhí)行特性有下面幾個差異：

1. 順序一致性模型保證單線程內(nèi)的操作會按程序的順序執(zhí)行，而JMM不保證單線程內(nèi)的操作會按程序的順序執(zhí)行（比如上面正確同步的多線程程序在臨界區(qū)內(nèi)的重排序）。這一點(diǎn)前面已經(jīng)講過了，這里就不再贅述。
2. 順序一致性模型保證所有線程只能看到一致的操作執(zhí)行順序，而JMM不保證所有線程能看到一致的操作執(zhí)行順序。這一點(diǎn)前面也已經(jīng)講過，這里就不再贅述。
3. JMM不保證對64位的long型和double型變量的讀/寫操作具有原子性，而順序一致性模型保證對所有的內(nèi)存讀/寫操作都具有原子性。

第3個差異與處理器總線的工作機(jī)制密切相關(guān)。在計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)通過總線在處理器和內(nèi)存之間傳遞。每次處理器和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳遞都是通過一系列步驟來完成的，這一系列步驟稱之為總線事務(wù)（bus transaction）?？偩€事務(wù)包括讀事務(wù)（read transaction）和寫事務(wù)（write transaction）。讀事務(wù)從內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)到處理器，寫事務(wù)從處理器傳送數(shù)據(jù)到內(nèi)存，每個事務(wù)會讀/寫內(nèi)存中一個或多個物理上連續(xù)的字。這里的關(guān)鍵是，總線會同步試圖并發(fā)使用總線的事務(wù)。在一個處理器執(zhí)行總線事務(wù)期間，總線會禁止其它所有的處理器和I/O設(shè)備執(zhí)行內(nèi)存的讀/寫。下面讓我們通過一個示意圖來說明總線的工作機(jī)制：

如上圖所示，假設(shè)處理器A，B和C同時向總線發(fā)起總線事務(wù)，這時總線仲裁（bus arbitration）會對競爭作出裁決，這里我們假設(shè)總線在仲裁后判定處理器A在競爭中獲勝（總線仲裁會確保所有處理器都能公平的訪問內(nèi)存）。此時處理器A繼續(xù)它的總線事務(wù)，而其它兩個處理器則要等待處理器A的總線事務(wù)完成后才能開始再次執(zhí)行內(nèi)存訪問。假設(shè)在處理器A執(zhí)行總線事務(wù)期間（不管這個總線事務(wù)是讀事務(wù)還是寫事務(wù)），處理器D向總線發(fā)起了總線事務(wù)，此時處理器D的這個請求會被總線禁止。

總線的這些工作機(jī)制可以把所有處理器對內(nèi)存的訪問以串行化的方式來執(zhí)行；在任意時間點(diǎn)，最多只能有一個處理器能訪問內(nèi)存。這個特性確保了單個總線事務(wù)之中的內(nèi)存讀/寫操作具有原子性。

在一些32位的處理器上，如果要求對64位數(shù)據(jù)的讀/寫操作具有原子性，會有比較大的開銷。為了照顧這種處理器，java語言規(guī)范鼓勵但不強(qiáng)求JVM對64位的long型變量和double型變量的讀/寫具有原子性。當(dāng)JVM在這種處理器上運(yùn)行時，會把一個64位long/ double型變量的讀/寫操作拆分為兩個32位的讀/寫操作來執(zhí)行。這兩個32位的讀/寫操作可能會被分配到不同的總線事務(wù)中執(zhí)行，此時對這個64位變量的讀/寫將不具有原子性。

當(dāng)單個內(nèi)存操作不具有原子性，將可能會產(chǎn)生意想不到后果。請看下面示意圖：

如上圖所示，假設(shè)處理器A寫一個long型變量，同時處理器B要讀這個long型變量。處理器A中64位的寫操作被拆分為兩個32位的寫操作，且

這兩個32位的寫操作被分配到不同的寫事務(wù)中執(zhí)行。同時處理器B中64位的讀操作被拆分為兩個32位的讀操作，且這兩個32位的讀操作被分配到同一個的讀事務(wù)中執(zhí)行。當(dāng)處理器A和B按上圖的時序來執(zhí)行時，處理器B將看到僅僅被處理器A“寫了一半“的無效值。

本文名稱：Java并發(fā)指南2：深入理解Java內(nèi)存模型JMM
網(wǎng)頁URL：http://jinyejixie.com/article28/gdjecp.html

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