摘要：如果編寫(xiě)的并發(fā)程序出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，很難通過(guò)調(diào)試來(lái)解決相應(yīng)的問(wèn)題，此時(shí)，需要一行行的檢查代碼，這個(gè)時(shí)候，如果充分理解并掌握了Java的內(nèi)存模型，你就能夠很快分析并定位出問(wèn)題所在。
本文分享自華為云社區(qū)??《 【高并發(fā)】如何解決可見(jiàn)性和有序性問(wèn)題？這次徹底懂了！》??，作者：冰 河 。
今天，我們先來(lái)看看在Java中是如何解決線(xiàn)程的可見(jiàn)性和有序性問(wèn)題的，說(shuō)到這，就不得不提一個(gè)Java的核心技術(shù)，那就是——Java的內(nèi)存模型。
如果編寫(xiě)的并發(fā)程序出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，很難通過(guò)調(diào)試來(lái)解決相應(yīng)的問(wèn)題，此時(shí)，需要一行行的檢查代碼，這個(gè)時(shí)候，如果充分理解并掌握了Java的內(nèi)存模型，你就能夠很快分析并定位出問(wèn)題所在。
什么是Java內(nèi)存模型？
在內(nèi)存里，Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存（物理內(nèi)存）中，每條線(xiàn)程還有自己的工作內(nèi)存，線(xiàn)程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行。不同的線(xiàn)程無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)其他線(xiàn)程的工作內(nèi)存里的內(nèi)容。我們可以使用下圖來(lái)表示在邏輯上 線(xiàn)程、主內(nèi)存、工作內(nèi)存的三者交互關(guān)系。
現(xiàn)在，我們都理解了緩存導(dǎo)致了可見(jiàn)性問(wèn)題，編譯優(yōu)化導(dǎo)致了有序性問(wèn)題。也就是說(shuō)解決可見(jiàn)性和有序性問(wèn)題的最直接的辦法就是禁用緩存和編譯優(yōu)化。但是，如果只是簡(jiǎn)單的禁用了緩存和編譯優(yōu)化，那我們寫(xiě)的所謂的高并發(fā)程序的性能也就高不到哪去了！甚至?xí)蛦尉€(xiàn)程程序的性能沒(méi)什么兩樣！有時(shí)，由于競(jìng)爭(zhēng)鎖的存在，可能會(huì)比單線(xiàn)程程序的性能還要低。
那么，既然不能完全禁用緩存和編譯優(yōu)化，那如何解決可見(jiàn)性和有序性的問(wèn)題呢？其實(shí)，合理的方案應(yīng)該是按照需要禁用緩存和編譯優(yōu)化。什么是按需禁用緩存和編譯優(yōu)化呢？簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)，就是需要禁用的時(shí)候禁用，不需要禁用的時(shí)候就不禁用。有些人可能會(huì)說(shuō)，這不廢話(huà)嗎？其實(shí)不然，我們繼續(xù)向下看。
何時(shí)禁用和不禁用緩存和編譯優(yōu)化，可以根據(jù)編寫(xiě)高并發(fā)程序的開(kāi)發(fā)人員的要求來(lái)合理的確定（這里需要重點(diǎn)理解）。所以，可以這么說(shuō)，為了解決可見(jiàn)性和有序性問(wèn)題，Java只需要提供給Java程序員按照需要禁用緩存和編譯優(yōu)化的方法即可。
Java內(nèi)存模型是一個(gè)非常復(fù)雜的規(guī)范，網(wǎng)上關(guān)于Java內(nèi)存模型的文章很多，但是大多數(shù)說(shuō)的都是理論，理論說(shuō)多了就成了廢話(huà)。這里，我不會(huì)太多的介紹Java內(nèi)存模型那些晦澀難懂的理論知識(shí)。 其實(shí)，作為開(kāi)發(fā)人員，我們可以這樣理解Java的內(nèi)存模型：Java內(nèi)存模型規(guī)范了Java虛擬機(jī)（JVM）如何提供按需禁用緩存和編譯優(yōu)化的方法。
說(shuō)的具體一些，這些方法包括：volatile、synchronized和final關(guān)鍵字，以及Java內(nèi)存模型中的Happens-Before規(guī)則。
volatile為何能保證線(xiàn)程間可見(jiàn)？
volatile關(guān)鍵字不是Java特有的，在C語(yǔ)言中也存在volatile關(guān)鍵字，這個(gè)關(guān)鍵字最原始的意義就是禁用CPU緩存。
例如，我們?cè)诔绦蛑惺褂胿olatile關(guān)鍵字聲明了一個(gè)變量，如下所示。
volatile int count = 0
此時(shí)，Java對(duì)這個(gè)變量的讀寫(xiě)，不能使用CPU緩存，必須從內(nèi)存中讀取和寫(xiě)入。
藍(lán)色的虛線(xiàn)箭頭代表禁用了CPU緩存，黑色的實(shí)線(xiàn)箭頭代表直接從主內(nèi)存中讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。
接下來(lái)，我們一起來(lái)看一個(gè)代碼片段，如下所示。
【示例一】
class VolatileExample {
int x = 0;
volatile boolean v = false;
public void writer() {
x = 1;
v = true;
}
public void reader() {
if (v == true) {
//x的值是多少呢？
}
}
}以上示例來(lái)源于：http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr-133-faq.html#finalWrong
這里，假設(shè)線(xiàn)程A執(zhí)行writer()方法，按照volatile會(huì)將v=true寫(xiě)入內(nèi)存；線(xiàn)程B執(zhí)行reader()方法，按照volatile，線(xiàn)程B會(huì)從內(nèi)存中讀取變量v，如果線(xiàn)程B讀取到的變量v為true，那么，此時(shí)的變量x的值是多少呢？？
這個(gè)示例程序給人的直覺(jué)就是x的值為1，其實(shí)，x的值具體是多少和JDK的版本有關(guān)，如果使用的JDK版本低于1.5，則x的值可能為1，也可能為0。如果使用1.5及1.5以上版本的JDK，則x的值就是1。
看到這個(gè)，就會(huì)有人提出問(wèn)題了？這是為什么呢？其實(shí)，答案就是在JDK1.5版本中的Java內(nèi)存模型中引入了Happens-Before原則。
Happens-Before原則
我們可以將Happens-Before原則總結(jié)成如下圖所示。
接下來(lái)，我們就結(jié)合案例程序來(lái)說(shuō)明Java內(nèi)存模型中的Happens-Before原則。
【原則一】程序次序規(guī)則
在一個(gè)線(xiàn)程中，按照代碼的順序，前面的操作Happens-Before于后面的任意操作。
例如【示例一】中的程序x=1會(huì)在v=true之前執(zhí)行。這個(gè)規(guī)則比較符合單線(xiàn)程的思維：在同一個(gè)線(xiàn)程中，程序在前面對(duì)某個(gè)變量的修改一定是對(duì)后續(xù)操作可見(jiàn)的。
【原則二】volatile變量規(guī)則
對(duì)一個(gè)volatile變量的寫(xiě)操作，Happens-Before于后續(xù)對(duì)這個(gè)變量的讀操作。
也就是說(shuō)，對(duì)一個(gè)使用了volatile變量的寫(xiě)操作，先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作。這個(gè)需要大家重點(diǎn)理解。
【原則三】傳遞規(guī)則
如果A Happens-Before B，并且B Happens-Before C，則A Happens-Before C。
我們結(jié)合【原則一】、【原則二】和【原則三】再來(lái)看【示例一】程序，此時(shí)，我們可以得出如下結(jié)論：
（1）x = 1 Happens-Before 寫(xiě)變量v = true，符合【原則一】程序次序規(guī)則。
（2）寫(xiě)變量v = true Happens-Before 讀變量v = true，符合【原則二】volatile變量規(guī)則。
再根據(jù)【原則三】傳遞規(guī)則，我們可以得出結(jié)論：x = 1 Happens-Before 讀變量v=true。
也就是說(shuō)，如果線(xiàn)程B讀取到了v=true，那么，線(xiàn)程A設(shè)置的x = 1對(duì)線(xiàn)程B就是可見(jiàn)的。換句話(huà)說(shuō)，就是此時(shí)的線(xiàn)程B能夠訪(fǎng)問(wèn)到x=1。
其實(shí)，Java 1.5版本的 java.util.concurrent并發(fā)工具就是靠volatile語(yǔ)義來(lái)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性的。
【原則四】鎖定規(guī)則
對(duì)一個(gè)鎖的解鎖操作 Happens-Before于后續(xù)對(duì)這個(gè)鎖的加鎖操作。
例如，下面的代碼，在進(jìn)入synchronized代碼塊之前，會(huì)自動(dòng)加鎖，在代碼塊執(zhí)行完畢后，會(huì)自動(dòng)釋放鎖。
【示例二】
public class Test{
private int x = 0;
public void initX{
synchronized(this){ //自動(dòng)加鎖
if(this.x < 10){
this.x = 10;
}
} //自動(dòng)釋放鎖
}
}我們可以這樣理解這段程序：假設(shè)變量x的值為10，線(xiàn)程A執(zhí)行完synchronized代碼塊之后將x變量的值修改為10，并釋放synchronized鎖。當(dāng)線(xiàn)程B進(jìn)入synchronized代碼塊時(shí)，能夠獲取到線(xiàn)程A對(duì)x變量的寫(xiě)操作，也就是說(shuō)，線(xiàn)程B訪(fǎng)問(wèn)到的x變量的值為10。
【原則五】線(xiàn)程啟動(dòng)規(guī)則
如果線(xiàn)程A調(diào)用線(xiàn)程B的start()方法來(lái)啟動(dòng)線(xiàn)程B，則start()操作Happens-Before于線(xiàn)程B中的任意操作。
我們也可以這樣理解線(xiàn)程啟動(dòng)規(guī)則：線(xiàn)程A啟動(dòng)線(xiàn)程B之后，線(xiàn)程B能夠看到線(xiàn)程A在啟動(dòng)線(xiàn)程B之前的操作。
我們來(lái)看下面的代碼。
【示例三】
//在線(xiàn)程A中初始化線(xiàn)程B
Thread threadB = new Thread(()->{
//此處的變量x的值是多少呢？答案是100
});
//線(xiàn)程A在啟動(dòng)線(xiàn)程B之前將共享變量x的值修改為100
x = 100;
//啟動(dòng)線(xiàn)程B
threadB.start();
上述代碼是在線(xiàn)程A中執(zhí)行的一個(gè)代碼片段，根據(jù)【原則五】線(xiàn)程的啟動(dòng)規(guī)則，線(xiàn)程A啟動(dòng)線(xiàn)程B之后，線(xiàn)程B能夠看到線(xiàn)程A在啟動(dòng)線(xiàn)程B之前的操作，在線(xiàn)程B中訪(fǎng)問(wèn)到的x變量的值為100。
【原則六】線(xiàn)程終結(jié)規(guī)則
線(xiàn)程A等待線(xiàn)程B完成（在線(xiàn)程A中調(diào)用線(xiàn)程B的join()方法實(shí)現(xiàn)），當(dāng)線(xiàn)程B完成后（線(xiàn)程A調(diào)用線(xiàn)程B的join()方法返回），則線(xiàn)程A能夠訪(fǎng)問(wèn)到線(xiàn)程B對(duì)共享變量的操作。
例如，在線(xiàn)程A中進(jìn)行的如下操作。
【示例四】
Thread threadB = new Thread(()-{
//在線(xiàn)程B中，將共享變量x的值修改為100
x = 100;
});
//在線(xiàn)程A中啟動(dòng)線(xiàn)程B
threadB.start();
//在線(xiàn)程A中等待線(xiàn)程B執(zhí)行完成
threadB.join();
//此處訪(fǎng)問(wèn)共享變量x的值為100【原則七】線(xiàn)程中斷規(guī)則
對(duì)線(xiàn)程interrupt()方法的調(diào)用Happens-Before于被中斷線(xiàn)程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生。
例如，下面的程序代碼。在線(xiàn)程A中中斷線(xiàn)程B之前，將共享變量x的值修改為100，則當(dāng)線(xiàn)程B檢測(cè)到中斷事件時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)到的x變量的值為100。
【示例五】
//在線(xiàn)程A中將x變量的值初始化為0
private int x = 0;
public void execute(){
//在線(xiàn)程A中初始化線(xiàn)程B
Thread threadB = new Thread(()->{
//線(xiàn)程B檢測(cè)自己是否被中斷
if (Thread.currentThread().isInterrupted()){
//如果線(xiàn)程B被中斷，則此時(shí)X的值為100
System.out.println(x);
}
});
//在線(xiàn)程A中啟動(dòng)線(xiàn)程B
threadB.start();
//在線(xiàn)程A中將共享變量X的值修改為100
x = 100;
//在線(xiàn)程A中中斷線(xiàn)程B
threadB.interrupt();
}
【原則八】對(duì)象終結(jié)原則
一個(gè)對(duì)象的初始化完成Happens-Before于它的finalize()方法的開(kāi)始。
例如，下面的程序代碼。
【示例六】
public class TestThread {
public TestThread(){
System.out.println("構(gòu)造方法");
}
@Override
protected void finalize() throws Throwable {
System.out.println("對(duì)象銷(xiāo)毀");
}
public static void main(String[] args){
new TestThread();
System.gc();
}
}?運(yùn)行結(jié)果如下所示。
構(gòu)造方法
對(duì)象銷(xiāo)毀
再說(shuō)final關(guān)鍵字
使用final關(guān)鍵字修飾的變量，是不會(huì)被改變的。但是在Java 1.5之前的版本中，使用final修飾的變量也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況，在Java 1.5版本之后，Java內(nèi)存模型對(duì)使用final關(guān)鍵字修飾的變量的重排序進(jìn)行了一定的約束。只要我們能夠提供正確的構(gòu)造函數(shù)就不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。
例如，下面的程序代碼，在構(gòu)造函數(shù)中將this賦值給了全局變量global.obj，此時(shí)對(duì)象初始化還沒(méi)有完成，此時(shí)對(duì)象初始化還沒(méi)有完成，此時(shí)對(duì)象初始化還沒(méi)有完成，重要的事情說(shuō)三遍！！線(xiàn)程通過(guò)global.obj讀取的x值可能為0。
【示例七】
final x = 0;
public FinalFieldExample() { // bad!
x = 3;
y = 4;
// bad construction - allowing this to escape
global.obj = this;
}
以上示例來(lái)源于：http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr-133-faq.html#finalWrong
Java內(nèi)存模式的底層實(shí)現(xiàn)
主要是通過(guò)內(nèi)存屏障(memory barrier)禁止重排序的， 即時(shí)編譯器根據(jù)具體的底層體系架構(gòu)， 將這些內(nèi)存屏障替換成具體的 CPU 指令。 對(duì)于編譯器而言，內(nèi)存屏障將限制它所能做的重排序優(yōu)化。 而對(duì)于處理器而言， 內(nèi)存屏障將會(huì)導(dǎo)致緩存的刷新操作。 比如， 對(duì)于volatile， 編譯器將在volatile字段的讀寫(xiě)操作前后各插入一些內(nèi)存屏障。
