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java细节

发布：达内
来源：互联网
时间：2018-01-29 17:03

    一、前言
    本篇将继续深入讲解一个有序而又乱序的Java世界。
    二、导读
    1、工作内存与主内存的数据交换的细节
    2、指令重排序与内存屏障
    3、volatile、final、锁的内存语义
    4、as-if-serial、happens-before
    三、进入细节
    1、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。
    （1）、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
    （2）、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
    （3）、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
    （4）、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
    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：
    （1）、read和load、store和write必须同时出现‘
    （2）、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。
    2、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：
    public class ReorderTest {private int a = 0;private int b = 0;private int c = 2;public void write（） {a = 1;b = 1;}public void read（） {if （b == 1） {c = a;}}}

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。

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    3、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。
    （1）、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。
    （2）、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。
    （3）、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。
    4、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：
    （1）、一个线程内，每个操作happens-before后面的操作
    （2）、unlock操作happens-before对这个这个锁的lock操作
    （3）、volatile写操作happens-before读操作
    （4）、线程的start方法happens-before此线程的所有其他操作
    （5）、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。
    （6）、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。

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