JVM學習--(二)內存模型、可見性、指令重排序
我們將根據JVM的內存模型探索java當中變量的可見性以及不同的java指令在並發時可能發生的指令重排序的情況。
內存模型
首先我們思考一下一個java線程要向另外一個線程進行通信，應該怎麽做，我們再把需求明確一點，一個java線程對一個變量的更新怎麽通知到另外一個線程呢？我們知道java當中的實例對象、數組元素都放在java堆中，java堆是線程共享的。（我們這裏把java堆稱為主內存），而每一個線程都是自己私有的內存空間（稱為工作內存），如果線程1要向線程2通信，一定會經過類似的流程：
1、 線程1將自己工作內存中的X更新為1並刷新到主內存中；
2、 線程2從主內存讀取變量X=1，更新到自己的工作內存中，從而線程2讀取的X就是線程1更新後的值。
從上面的流程看出線程之間的通信都需要經過主內存，而主內存與工作內存的交互，則需要Java內存模型（JMM）來管理器。下圖演示了JMM如何管理主內存和工作內存：
當線程1需要將一個更新後的變量值刷新到主內存中時，需要經過兩個步驟：
1、 工作內存執行store操作；
2、 主內存執行write操作；
完成這兩步即可將工作內存中的變量值刷新到主內存，即線程1工作內存和主內存的變量值保持一致；
當線程2需要從主內存中讀取變量的最新值時，同樣需要經過兩個步驟：
1、主內存執行read操作，將變量值從主內存中讀取出來；
2、工作內存執行load操作，將讀取出來的變量值更新到本地內存的副本；
完成這兩步，線程2的變量和主內存的變量值就保持一致了。
可見性
Java中有一個關鍵字volatile，它有什麽用呢？這個答案其實就在上述java線程間通信機制中，我們想象一下，由於工作內存這個中間層的出現，線程1和線程2必然存在延遲的問題，例如線程1在工作內存中更新了變量，但還沒刷新到主內存，而此時線程2獲取到的變量值就是未更新的變量值，又或者線程1成功將變量更新到主內存，但線程2依然使用自己工作內存中的變量值，同樣會出問題。不管出現哪種情況都可能導致線程間的通信不能達到預期的目的。例如以下例子：
//線程1 boolean stop = false; while(!stop){ doSomething(); } //線程2stop= true;
這個經典的例子表示線程2通過修改stop的值，控制線程1中斷，但在真實環境中可能會出現意想不到的結果，線程2在執行之後，線程1並沒有立刻中斷甚至一直不會中斷。出現這種現象的原因就是線程2對線程1的變量更新無法第一時間獲取到。
但這一切等到Volatile出現後，再也不是問題，Volatile保證兩件事：
1、 線程1工作內存中的變量更新會強制立即寫入到主內存；
2、 線程2工作內存中的變量會強制立即失效，這使得線程2必須去主內存中獲取最新的變量值。
所以這就理解了Volatile保證了變量的可見性，因為線程1對變量的修改能第一時間讓線程2可見。
指令重排序
關於指令排序我們先看一段代碼：
int a = 0;?boolean flag = false;
//線程1
public void writer() {
a = 1;
flag = true;
}
//線程2
public void reader() {
if (flag) {
int i= a+1;
...... }
}
線程1依次執行a=1,flag=true；線程2判斷到flag==true後，設置i=a+1，根據代碼語義，我們可能會推斷此時i的值等於2，因為線程2在判斷flag==true時，線程1已經執行了a=1；所以i的值等於a+1=1+1=2；但真實情況卻不一定如此，引起這個問題的原因是線程1內部的兩條語句a=1；flag=true；可能被重新排序執行，如圖：
這就是指令重排序的簡單演示，兩個賦值語句盡管他們的代碼順序是一前一後，但真正執行時卻不一定按照代碼順序執行。你可能會說，有這個指令重排序那不是亂套了嗎？我寫的程序都不按我的代碼流程走，這怎麽玩？這個你可以放心，你的程序不會亂套，因為java和CPU、內存之間都有一套嚴格的指令重排序規則，哪些可以重排，哪些不能重排都有規矩的。下列流程演示了一個java程序從編譯到執行會經歷哪些重排序：
在這個流程中第一步屬於編譯器重排查，編譯器重排序會按JMM的規範嚴格進行，換言之編譯器重排序一般不會對程序的正確邏輯造成影響。第二、三步屬於處理器重排序，處理器重排序JMM就不好管了，怎麽辦呢？它會要求java編譯器在生成指令時加入內存屏障，內存屏障是什麽？你可以理解為一個不透風的保護罩，把不能重排序的java指令保護起來，那麽處理器在遇到內存屏障保護的指令時就不會對它進行重排序了。關於在哪些地方該加入內存屏障，內存屏障有哪些種類，各有什麽作用，這些知識點這裏就不再闡述了。可以參考JVM規範相關資料。
下面介紹一下在同一個線程中，不會被重排序的邏輯：
這三種情況中，任意改變一個代碼的順序，結果都會大不相同，對於這樣的邏輯代碼，是不會被重排序的。註意這是指單線程中不會被重排序，如果在多線程環境下，還是會產生邏輯問題，例如我們一開始舉的例子。
結語
本文簡單介紹了java在實現線程間通信時的簡單原理，並介紹了volatile關鍵字的作用，最後介紹了java當中可能會出現指令重排序的情況。下一篇將介紹JVM中的參數設置對java程序的影響。
JVM學習--(二)內存模型、可見性、指令重排序