volatile关键字与Java内存模型(JMM)

Java内存模型(JMM)

JMM用来屏蔽不同硬件和操作系统的内存访问差异，期望Java程序在各种平台上都能实现一致的内存访问效果；

JMM规定里多线程之间的共享变量存储在主存中，每个线程单独拥有一个本地内存（逻辑概念），本地内存存储线程操作的共享变量副本；

JMM中的变量指的是线程共享变量（实例变量，static字段和数组元素），不包括线程私有变量（局部变量和方法参数）；
JMM规定线程对变量的写操作都在自己的本地内存对副本进行，不能直接写主存中的对应变量；
多线程间变量传递通过主存完成（Java线程通信通过共享内存），线程修改变量后通过本地内存写回主存，从主存读取变量，彼此不允许直接通信（本地内存私有原因）；

综上，JMM通过控制主存和每个线程的本地内存的数据交互，保证一致的内存可见性；

JMM特征

原子性：原子性是指多线程一起执行时，一个线程操作开始后不会被其他线程干扰，操作不可被中断；

synchronizd临界区执行具有原子性；
volatile仅仅保证对单个volatile变量的操作具有原子性；

可见性：一个线程修改共享变量时，其他线程能够立即知道这个修改；

单线程：不存在内存可见性问题；
多线程：Java通过volatile, synchronized, final关键字实现可见性；

volatile：valatile变量保证变量新值立即被同步回主存，每次读取valtile变量都立即从主存刷新；
synchronized：对变量进行解锁前，将对应变量同步回内存；
final：final字段一旦初始化完毕，并且this引用没有发生逃逸，其他线程立即看到final字段值；

有序性：线程内操作有序进行，线程间操作有序进行；

Java通过volatile, synchronized保证线程间操作的有序性

volatile通过禁止重排序实现有序性；
synchronized通过声明临界区，保证线程互斥访问，实现有序性；

synchronized与volatile辨析

volatile是线程同步的轻量级实现，只用于修饰变量，synchronized用于修饰方法和语句块；
多线程访问volatile不会发生阻塞，但是synchronized会发生阻塞；
volatile保证数据的可见性，不保证原子性；synchronized保证数据的可见性和原子性；
volatile强调共享变量在多线程之间的可见性，synchronized强调多线程访问资源的同步性；

重排序与happen-before规则

影响多线程有序性：重排序

编译器重排序：编译器保证不改变单线程执行结果的前提下，可以调整多线程语句执行顺序；
处理器重排序：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；

JMM通过happen-before规则，底层禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，保证内存的可见性和有序性；

happen-before规则

JMM为所有操作定义了一个偏序关系，称之为happen-before。在JMM中，如果A操作对B操作存在happen-before关系；A操作的执行结果全部对B操作可见；因此不同操作的时间顺序和先行发生规则没有关系，happen-before强调前者修改结果全部对后者可见；如果A，B操作不存在happen-before关系，JVM会对它们进行任意重排序；

JMM默认 happen-before 规则：

程序顺序规则：一个线程的每个操作，先于该线程其他后续操作执行；

线程的start()方法先于线程内其他方法执行，线程所有操作先于线程的终结操作；

锁规则：对一个monitor的解锁必然先于对该monitor的加锁；
volatile变量规则：对volatile的写操作先于读操作；
传递性：A先于B，B先于C，必然A先于C；

内存屏障指令(memory barriers)

内存屏障指令是一组处理指令，用来限制内存操作的顺序；