02 | Java内存模型：看Java如何解决可见性和有序性问题

什么是 Java 内存模型？

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，我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。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知道，那所谓“按需禁用”其实就是指按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，只需要提供给程序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，站在我们这些程序员的视角，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。具体来说，这些方法包括 volatile、synchronized 和 final 三个关键字，以及六项 Happens-Before 规则。

 

volatile

禁用 CPU 缓存

Happens-Before 规则

 

表达的是： 前面一个操作的结果对后续操作是可见的

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？
			}
		}
	}

　　

1. 程序的顺序性规则

程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的。

 

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。 

 

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。

 

从图中，我们可以看到：

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

2. 写变量“v=true” Happens-Before 读变量 “v=true”，这是规则 2 的内容 。

再根据这个传递性规则，我们得到结果：“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” ，有没有一种恍然大悟的感觉？这就是 1.5 版本对volatile 语义的增强

 

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，就首先要了解“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，例如下面的代码，在进入同步块之前，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。

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

所以结合规则 4——管程中锁的规则，可以这样理解：假设 x 的初始值是 10，线程 A 执行完代码块后 x 的值会变成 12（执行完自动释放锁），线程 B 进入代码块时，能够看到线程 A 对 x 的写操作，也就是线程 B 能够看到 x==12。

 

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。具体可参考下面示例代码。 

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

 

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。具体可参考下面示例代码。 

Thread B = new Thread(()->{
    // 此处对共享变量 var 修改
    var = 66;
});
// 例如此处对共享变量修改，
// 则这个修改结果对线程 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修改
// 在主线程调用 B.join() 之后皆可见
// 此例中，var==66

被我们忽视的 final

前面我们讲 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。