Java内存模型

线程间通信与同步

在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种：共享内存和消息传递。在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，通过写-读内存中的公共状态进行隐式进行通信。在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，而是必须通过发送消息来显示进行通信。

同步是指程序中用于控制不同线程间操作发生相对顺序的机制。在共享内存并发模型中，同步是显示进行的。在消息传递的并发模型中，同步是隐式进行的。Java采用的是共享内存并发模型，线程之间的通信是隐式进行的，整个过程对程序员完全透明。

内存模型的抽象结构

实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享。局部变量、方法定义参数和异常处理器参数不会在线程之间共享，这些变量不存在内存可见性问题，也不受内存模型的影响。

Java内存模型(JMM)控制Java线程之间的通信，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，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，每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，本身并不是真实存在。

Java内存模型的抽象结构示意图

指令序列重排序

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分为以下3中类型：

1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
2. 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
3. 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

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会要求Java编译器在生成指令序列时，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。JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。