Java并发 - Java 内存模型(JMM) - 《Java》

主内存与工作内存
内存模型三大特性
Happens-Before (先行发生)原则

Java 内存模型试图屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

主内存与工作内存

处理器上的寄存器的读写的速度比内存快几个数量级，为了解决这种速度矛盾，在它们之间加入了高速缓存。
加入高速缓存带来了一个新的问题：缓存一致性。如果多个缓存共享同一块主内存区域，那么多个缓存的数据可能会不一致，需要一些协议来解决这个问题。

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所有的变量都存储在主内存中，每个线程还有自己的工作内存，工作内存存储在高速缓存或者寄存器中，保存了该线程使用的变量的主内存副本拷贝。
线程只能直接操作工作内存中的变量，不同线程之间的变量值传递需要通过主内存来完成。

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内存模型三大特性

1. 原子性(Atomicity)

原子性是指操作是不可分的，要么全部一起执行，要么不执行。在java中，其表现在对于共享变量的某些操作，是不可分的，必须连续的完成。比如a++，对于共享变量a的操作，实际上会执行3个步骤：
1.读取变量a的值，假如a=1
2.a的值+1，为2
3.将2值赋值给变量a，此时a的值应该为2
这三个操作中任意一个操作，a的值如果被其他线程篡改了，那么都会出现我们不希望出现的结果。所以必须保证这3个操作是原子性的，在操作a++的过程中，其他线程不会改变a的值，如果在上面的过程中出现其他线程修改了a的值，在满足原子性的原则下，上面的操作应该失败。
java中实现原子操作的方法大致有2种：锁机制、无锁CAS机制

2. 可见性

可见性指当一个线程修改了共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。

我们定义的所有变量都储存在 主内存中
每个线程都有自己 独立的工作内存，里面保存该线程使用到的变量的副本（主内存中该变量的一份拷贝）
线程对共享变量所有的操作都必须在自己的工作内存中进行，不能直接从主内存中读写（不能越级）
不同线程之间也无法直接访问其他线程的工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来进行。（同级不能相互访问）

Java 内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值来实现可见性的。
主要有三种实现可见性的方式：

volatile
synchronized，对一个变量执行 unlock 操作之前，必须把变量值同步回主内存。
final，被 final 关键字修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且没有发生 this 逃逸（其它线程通过 this 引用访问到初始化了一半的对象），那么其它线程就能看见 final 字段的值。

3. 有序性

有序性是指：在本线程内观察，所有操作都是有序的。在一个线程观察另一个线程，所有操作都是无序的，无序是因为发生了指令重排序。在 Java 内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

    int a = 1;  //1
    int b = 20; //2
    int c = a + b; //3

编译器优化后可能变成

    int b = 20;  //1
    int a = 1; //2
    int c = a + b; //3

volatile 关键字通过添加内存屏障的方式来禁止指令重排，即重排序时不能把后面的指令放到内存屏障之前。
也可以通过 synchronized 来保证有序性，它保证每个时刻只有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码。

单例模式的双重校验

    public class Singleton {
      static Singleton instance;
      static Singleton getInstance(){
        if (instance == null) {
          synchronized(Singleton.class) {
            if (instance == null)
              instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
      }
    }

存在的问题：instance是没有初始化的，此时去使用instance可能会产生一些意想不到的错误。
现在比较好的做法就是采用静态内部内的方式实现：

    public class SingletonDemo {
        private SingletonDemo() {
        }
        private static class SingletonDemoHandler{
            private static SingletonDemo instance = new SingletonDemo();
        }
        public static SingletonDemo getInstance() {
            return SingletonDemoHandler.instance;
        }
    }

Happens-Before (先行发生)原则

Happens-Before 规则最初是在一篇叫做Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System的论文中提出来的，在这篇论文中，Happens-Before 的语义是一种因果关系。在现实世界里，如果 A 事件是导致 B 事件的起因，那么 A 事件一定是先于（Happens-Before）B 事件发生的，这个就是 Happens-Before 语义的现实理解。
在 Java 语言里面，Happens-Before 的语义本质上是一种可见性，A Happens-Before B 意味着 A 事件对 B 事件来说是可见的，无论 A 事件和 B 事件是否发生在同一个线程里。例如 A 事件发生在线程 1 上，B 事件发生在线程 2 上，Happens-Before 规则保证线程 2 上也能看到 A 事件的发生。

1. 单一线程原则

Single Thread rule

在一个线程内，在程序前面的操作先行发生于后面的操作。

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2. 管程锁定规则

管程锁定规则Monitor Lock Rule:管程是一种通用的同步原语，在 Java 中指的就是 synchronized，synchronized 是 Java 里对管程的实现。管程中的锁在 Java 里是隐式实现的，例如下面的代码，在进入同步块之前，会自动加锁，而在代码块执行完会自动释放锁，加锁以及释放锁都是编译器帮我们实现的。
一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。

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