重排序、内存可见性、Happens-before 关系

重排序、内存可见性、Happens-before 关系

Java 内存模型

由于 ConcurrentHashMap 是建立在 Java 内存模型基础上的，为了更好的理解 ConcurrentHashMap，让我们首先来了解一下 Java 的内存模型。

Java 语言的内存模型由一些规则组成，这些规则确定线程对内存的访问如何排序以及何时可以确保它们对线程是可见的。下面我们将分别介绍 Java 内存模型的重排序，内存可见性和 happens-before 关系。

重排序

内存模型描述了程序的可能行为。具体的编译器实现可以产生任意它喜欢的代码 -- 只要所有执行这些代码产生的结果，能够和内存模型预测的结果保持一致。这为编译器实现者提供了很大的自由，包括操作的重排序。

编译器生成指令的次序，可以不同于源代码所暗示的“显然”版本。重排序后的指令，对于优化执行以及成熟的全局寄存器分配算法的使用，都是大有脾益的，它使得程序在计算性能上有了很大的提升。

重排序类型包括：

• 编译器生成指令的次序，可以不同于源代码所暗示的“显然”版本。
• 处理器可以乱序或者并行的执行指令。
• 缓存会改变写入提交到主内存的变量的次序。

内存可见性

由于现代可共享内存的多处理器架构可能导致一个线程无法马上（甚至永远）看到另一个线程操作产生的结果。所以 Java 内存模型规定了 JVM 的一种最小保证：什么时候写入一个变量对其他线程可见。

在现代可共享内存的多处理器体系结构中每个处理器都有自己的缓存，并周期性的与主内存协调一致。假设线程 A 写入一个变量值 V，随后另一个线程 B 读取变量 V 的值，在下列情况下，线程 B 读取的值可能不是线程 A 写入的最新值：

• 执行线程 A 的处理器把变量 V 缓存到寄存器中。
• 执行线程 A 的处理器把变量 V 缓存到自己的缓存中，但还没有同步刷新到主内存中去。
• 执行线程 B 的处理器的缓存中有变量 V 的旧值。

Happens-before 关系

happens-before 关系保证：如果线程 A 与线程 B 满足 happens-before 关系，则线程 A 执行动作的结果对于线程 B 是可见的。如果两个操作未按 happens-before 排序，JVM 将可以对他们任意重排序。

下面介绍几个与理解 ConcurrentHashMap 有关的 happens-before 关系法则：

1. 程序次序法则：如果在程序中，所有动作 A 出现在动作 B 之前，则线程中的每动作 A 都 happens-before 于该线程中的每一个动作 B。
2. 监视器锁法则：对一个监视器的解锁 happens-before 于每个后续对同一监视器的加锁。
3. Volatile 变量法则：对 Volatile 域的写入操作 happens-before 于每个后续对同一 Volatile 的读操作。
4. 传递性：如果 A happens-before 于 B，且 B happens-before C，则 A happens-before C。