java 线程安全交换区_一篇文章看懂Java并发和线程安全（二）

【本文转自爪哇笔记 作者：冷血狂魔  原文链接：】

前言

上一篇博文《一篇文章看懂Java并发和线程安全(一)》讲述了多线程中，程序总不能按照我们所看到的那样执行，必须保证共享数据的可见性和执行临界区代码的有序性，才能让多线程程序运行成我们想要的样子，本篇博客将继续深入讲解一个有序而又乱序的Java世界。

本博客重点导读

工作内存与主内存的数据交换的细节

指令重排序与内存屏障

volatile、final、锁的内存语义

as-if-serial、happens-before

进入细节

主内存与工作内存交互协议

JMM定义了8种基本操作来完成，主内存、工作内存和执行引擎之间的交互，分别是lock、unlock、read、load、use、assign、store、write，虚拟机的实现向程序员保证每一种操作都是原子的，不可分割，对于double和long类型的64为变量不做保证。了解了这些，有助于帮我们理解内存屏障。

别看有8个操作，实际上是成对定义的连贯操作。我们具体来看怎么记忆。

针对于主内存的单独操作lock和unlock

·lock：作用于主内存、把变量标示为线程独占

·unlock：作用于主内存、释放锁定状态

主内存到工作内存的读交换

·read：作用于主内存，把主内存变量传递给工作内存

·load：作用于工作内存，把read操作传过来的值放入工作内存

工作内存到主内存的写交换

·store：作用于工作内存，把工作内存变量传递给主内存

·write：作用于主内存，把store过来的值写入主内存变量

工作内存和执行引擎的数据交换

·use：作用于工作内存，把工作内存变量传递给执行引擎

·assign：作用于工作内存，把执行引擎的值赋给工作内存变量

上述的交互关系，可以用如下的图来表示：

总体来说，工作内存和主内存的数据交换读写都是用两组操作来完成，而执行引擎和工作内存的数据交换由两个操作完成。当然，上述的8种操作必须满足一些规则，这里列举一些我认为重要的，例如：

·read和load、store和write必须同时出现

·对变量执行lock操作，会清空工作内存中缓存的该值，对变量执行unlock操作，必须先把值同步回主内存。

废了这么大的篇幅，讲我们Java程序员并不关心的数据交换细节，是为了帮助我们理解后面的内存屏障，系好安全带，我们继续来看一个完全错乱的Java微观世界。

乱序的Java世界

在单线程的世界里，JMM向我们保证执行的正确性，那么我们可以逻辑的认为代码是根据我们编写的顺序执行。那么在多线程的世界里，站一个线程的视角看另一个线程，我们将完全看不清执行的顺序。并且也看不到对方执行结果。请看下面的代码：

假设有两个线程A、B分别要执行write和read方法，A先进去执行、B随后执行，先抛开a、b线程可见性问题，假设a、b对线程立即可见。最后c值是多少?可能是1，可能是2，甚至可能是0。接下来具体分析一下为什么。

站在B的视角看，它看不清a=1和b=1谁先执行，由于指令重排序，很可能b=1先执行，请看下表：

站在B线程的视角，B线程中read方法里的代码是否会重排序呢，虽然这个方法的两句话存在依赖关系，JMM支持不改变结果的指令重排，JMM无法预先判断是否有其他线程在修改a的值，所以可能会重排，并且处理器会用猜测执行来重排。请看下表：

指令重排序让线程看不清对方线程的执行顺序，也就是乱序的，那么会有哪些级别的指令重排序呢?有三种：编译器重排序、指令级重排序、内存级重排序。

内存屏障

指令重排序会导致多线程执行的无序，那么JMM会禁止特定类型的指令重排序，JMM通过内存屏障来禁止某些指令重排序，那么有哪些内存屏障呢?总共4类

·LoadLoad：前面的load会先于后面的load装载

·StoreStore：前面的store会先于后面的store执行，也就是保证内存可见性

·LoadStore：前面的load先于后面的store执行

·StoreLoad：前面的store先于后面的Load执行

接下来分别看volatile、final、锁，都有哪些内存语义，加了哪些内存屏障。

volatile

·对volatile变量的写操作，前面插入StoreStore屏障，防止和上面的写发生重排序;后面插入StoreLoad屏障，防止和后面的读写发生重排序。

·对volatile变量的读操作，后面会插入两个屏障，分别是LoadLoad、LoadStore，说白了就是，我是volatile变量，不管你下面的变量是读或者写，我都要先于你读。

final

final本质上定义是final域与构造对象的引用之间的内存屏障。

在构造函数对final变量的写人，与对构造函数对象引用的读，不能重排序，本质上是插入了storeStore屏障，保证对象引用被读之前，已经对final变量进行了写人。这里特别注意指针逃逸。

读含有final变量的对象的引用，与读final变量不能指令重排序，插入loadload屏障，保证先读到对象引用，在读final变量的值，也就是只要对象构造完成，并且在构造函数中将final值写入，另外一个线程肯定可以读到，这是JMM的保证。

锁

ReentrantLock中 有个private volatile int state，本质上是用的volatile的内存语义，这里就省略讲了。

as-if-serial、happens-before

前面说这么多，指令重排序重排序，弄乱了Java程序，JMM提供volatile、final、锁来禁止某些指令重排序，那么记住这些重排序规则并非简单的事，JMM用另外一种好记的理论来帮助程序员记忆。

as-if-serial：用通俗的话来解释一下，单线中，程序逻辑的以我们看到的顺序执行，这里只是可以逻辑的认为顺序执行，其实也会有不影响结果的指令重排，例如：

int i=1;int j=2;int a=i*j;

这里i=1，j=1重排不影响结果，那么实际上JMM是允许的。 有了as-if-serial，在单线程中，程序员不用担心指令重排和内存可见性问题。

happens-before：happens-before保证如果A、B两个操作存在happens before关系，那么A操作的结果一定对B可见，有了可见性的保证，在加上正确的同步，就能写出线程安全的代码。JSR133定义了哪些天然的happens-before关系呢?请看下面：

·一个线程内，每个操作happens-before后面的操作

·unlock操作happens-before对这个这个锁的lock操作

·volatile写操作happens-before读操作

·线程的start方法happens-before此线程的所有其他操作

·线程所有操作happens-before对此线程的终止监测，例如，A线程调用B线程的join方法，如果join返回，那么B线程的所有操作必定完成，且B线程的所有操作的数据必定对A线程可见。

·传递性，A happens-before B、B happens-before C，那么A happens-before C

最后总结一下，上一篇文章中围绕可见性和执行临界区代码的顺序性进行了说明，本篇文章，主要说的是可见性，就本质而言，加内存屏障，就是为了保证前面的操作对后面的操作可见，也就是我不能和你顺序弄乱了，我得看着你怎么执行，happens-before是JMM对Java程序员的承诺，记住这些规则，配合锁，必定线程安全。

最后还有两句话

在本线程内看，所有的操作都是有序的，这是as-if-serial的保证。

一个线程看另一个线程，所有的操作都是无序的，主要是两方面所致，一方面是指令重排序，另一方面是不知道工作内存的值什么时候同步到主内存。