Java内存模型JMM

1.Java内存模型JMM

面试题：
你知道什么是Java内存模型JMM吗?
JMM与volatile它们两个之间的关系?
JMM有哪些特性or它的三大特性是什么?
为什么要有JMM，它为什么出现?作用和功能是什么?
happens-before先行发生原则你有了解过吗?

1.1 计算机硬件存储系统

计算机存储结构，从本地磁盘到主存到CPU缓存，也就是从硬盘到内存，到CPU。一般对应的程序的操作就是从数据库查数据到内存然后到CPU进行计算。

1.2 Java内存模型概述

JMM(Java内存模型Java Memory Model,简称JMM)本身是一种抽象的概念并不真实存在它仅仅描述的是一组约定或规范，通过这组规范定义了程序中(尤其是多线程)各个变量的读写访问方式并决定一个线程对共享变量的写入以及如何变成对另一个线程可见，关键技术点都是围绕多线程的原子性、可见性和有序性展开的。
原则:
JMM的关键技术点都是围绕多线程的原子性、可见性和有序性展开的
能干嘛?
通过JMM来实现线程和主内存之间的抽象关系。
屏蔽各个硬件平台和操作系统的内存访问差异以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

1.3 JMM三大特性

1.3.1 可见性

可见性：是指当一个线程修改了某一个共享变量的值，其他线程是否能够立即知道该变更，JMM规定了所有的变量都存储在主内存中。

1.3.2原子性

原子性：指一个操作是不可打断的，即多线程环境下，操作不能被其他线程干扰

1.3.3有序性

有序性：对于一个线程的执行代码而言，我们总是习惯性认为代码的执行总是从上到下，有序执行。但为了提升性能，编译器和处理器通常会对指令序列进行重新排序。Java规范规定JVM线程内部维持顺序化语义，即只要程序的最终结果与它顺序化执行的结果相等，那么指令的执行顺序可以与代码顺序不一致，此过程叫指令的重排序。所以有序性指的是指令重排序的禁止或支持，保证多线程执行有序性。

第一个属于是编译器重排序，第二个第三个属于是处理器重排序。这些重排序可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序。对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则则会要求Java编译器在生成指令序列时，通过插入特定类型的内存屏障指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序

1.4 JMM规范下，多线程对变量的读写过程

由于JVM运行程序的实体是线程，而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方称为栈空间)，工作内存是每个线程的私有数据区域，而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问，但线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存拷贝到的线程自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存，不能直接操作主内存中的变量，各个线程中的工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝，因此不同的线程间无法访问对方的工作内存，线程间的通信(传值)必须通过主内存来完成，其简要访问过程如下图:

JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：
线程之间的共享变量存储在主内存中(从硬件角度来说就是内存条)
每个线程都有一个私有的本地工作内存，本地工作内存中存储了该线程用来读/写共享变量的副本(从硬件角度来说就是CPU的缓存，比如寄存器、L1、L2、L3缓存等)

线程的工作内存不是线程的栈，JLS（java语言规范）对线程工作内存的描述，线程的working memory只是cpu的寄存器和高速缓存的抽象描述。java的内存模型与jvm的内存模型是完全不同的两个概念，是两个不同的范围，java内存模型，涵盖了cpu，寄存器，高速缓存，内存；jvm的内存模型只是一种对内存的物理划分而已，它只局限在内存，而且只局限在jvm的内存。

总结：
我们定义的所有共享变量都储存在物理主内存中
每个线程都有自己独立的工作内存，里面保存该线程使用到的变量的副本(主内存中该变量的一份拷贝)
线程对共享变量所有的操作都必须先在线程自己的工作内存中进行后写回主内存，不能直接从主内存中读写(不能越级)
不同线程之间也无法直接访问其他线程的工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来进行(同级不能相互访问)

2. JMM规范下，多线程先行发生原则之happens-before

2.1 happens-before总原则

在JMM中，如果一个操作执行的结界需要对另一个操作可见或者代码重排序，那么这两个操作之间必须存在happens-before(先行发生)原则。即逻辑上的先后关系。

先行发生原则说明
如果Java内存模型中所有的有序性都仅靠volatile和synchronized来完成，那么有很多操作都将会变得非常哕嗦，但是我们在编写Java并发代码的时候并没有察觉到这一点。

我们没有时时、处处、次次，添加volatile和synchronized来完成程序，这是因为Java语言中JMM原则下有一个“先行发生”(Happens-Before)的原则限制和规矩，给你立好了规矩!

这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的非常有用的手段。依赖这个原则，我们可以通过几条简单规则一 揽子解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题，而不需要陷入Java内存模型苦涩难懂的底层编译原理之中。

happens-before总原则：

如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见,而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。

两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着一定要按照happens-before原则制定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果与按照happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法。

2.2 happens-before8条原则

happens-before之8条：一个次序，一个锁，一个volatile，一个传递，三个线程，一个对象

在java中认为理所当然的那些语法顺序，就是这个玩意定义的。

1）次序规则：一个线程内，按照代码顺序，写在前面的操作先行发生于写在后面的操作。前一个操作的结果可以被后续的操作获取。
讲明白点就是前面一个操作把变量X赋值为1，那后面一个操作肯定能知道X已经变成了1。

2）锁定规则:一个unLock操作先行发生于后面((这里的“后面”是指时间上的先后))对同一个锁的Iock操作;

3）volatile变量规则:对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，前面的写对后面的读是可见的，这里的“后面”同样是指时间上的先后。

4）传递规则:如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C;

5）线程启动规则(Thread Start Rule):Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作

6）线程中断规则(Thread Interruption Rule):对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生;
可以通过Thread.interrupted()检测到是否发生中断。也就是说你要先调用interrupt()方法设置过中断标志位，我才能检测到中断发生

7）线程终止规则(Thread Termination Rule):线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过isAlive()等手段检测线程是否已经终止执行。

8）对象终结规则(Finalizer Rule):一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的finalize()方法的开始。对象没有完成初始化之前，是不能调用finalized()方法的。

2.3 JMM总结：

在Java语言里面，Happens-Before 的语义本质上是种可见性

A Happens-Before B意味着A发生过的事情对B来说是可见的，无论A事件和B事件是否发生在同一个线程里.

JMM的设计分为两部分:

一部分是面向我们程序员提供的，也就是happens-before规则，它通俗易懂的向我们程序员阐述了一一个强内存模型，我们只要理解
happens-before规则，就可以编写并发安全的程序了。

另一部分是针对JVM实现的，为了尽可能少的对编译器和处理器做约束从而提高性能，JMM在不影响程序执行结果的前提下对其不做
要求，即允许优化重排序。我们只需要关注前者就好了r也就是理解happens-before规则即可，其它繁杂的内容有JMM规范结合操作
系统给我们搞定，我们只写好代码即可。

2.4 案例：

private int value;

    public int getValue() {
        return value;
    }

    public void setValue() {
        ++value;
    }

假设存在线程A和B,线程A先(时间止的先后)调用了setValue(),然后线程B调用了同一个对象的getValue(),那么线程B收到的返回值是什么?

我们就这段简单的代码一次分析happens-before的规则 (规则5、6、7、8可以忽略， 因为他们和这段代码毫无关系) :
由于两个方法是由不同的线程调用，不在同一个线程中，所以肯定不满足程序次序规则;
两个方法都没有使用锁，所以不满足锁定规则;
变量不是用volatile修饰的，所以volatile 变量规则不满足;
传递规则肯定不满足;
所以我们无法通过happens-before原则推导出线程A happens-before线程B，虽然可以确认在时间上线程A优先线程B指定，
但就是无法确认线程B获得的结果是什么，所以这段代码不是线程安全的。那么怎么修复这段代码呢?

把getter/setter方法都定义为synchronized方法
把value定义为valatile变量，由于setter方法对value的修改不依赖value的原值，满足volatile关键学使用场景
注：本文是学习B站周阳老师《尚硅谷2022版JUC并发编程》课程所做学习笔记。