Java内存模型如何解决并发问题的可见性和有序性

       上一篇文章中https://www.jianshu.com/p/a529f47d8103 我们提到了java内存模型中的三大特性，以及在并发过程中存在的一些问题，本文主要介绍java内存模型如何解决java并发过程中遇到的可见性和有序性问题。

       我们知道，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就可以了。但是如果这么做的话我们的程序性能可能就会受到很大的影响。合理的方案应该是按需禁用缓存以及编译优化。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。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。

一、volatile变量

       我们声明一个 volatile 变量 volatile int x = 0，它表达的是：告诉编译器，对这个变量的读写，不能使用 CPU 缓存，必须从内存中读取或者写入。

二、Happens-Before 规则

       Happens-Before 并不是说前面一个操作发生在后续操作的前面，它真正要表达的是：前面一个操作的结果对后续操作是可见的。Happens-Before 约束了编译器的优化行为，虽允许编译器优化，但是要求编译器优化后一定遵守 Happens-Before 规则。

1. 程序的顺序性规则

这条规则是指在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作 Happens-Before 于后续的任意操作。

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

指如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。

下面看一段代码进行具体分析一下：

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？

    }

  }

}

图1

首先在write()方法中“x=42” Happens-Before 写变量 “v=true” ，这是规则 1 的内容；

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，这个增强意义重大，1.5 版本的并发工具包（java.util.concurrent）就是靠 volatile 语义来搞定可见性的。

4. 管程synchronized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。实际上，在解锁的时候，JVM需要强制刷新缓存，使得当前线程所修改的内存对其他线程可见。

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。

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。

7.线程中断规则：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()方法检测到是否有中断发生。

8.对象终结规则：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。

三、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。