一篇文章看懂Java併發和執行緒安全（二）

【本文轉自爪哇筆記 作者：冷血狂魔  原文連結：https://mp.weixin.qq.com/s/QDioJjwBC6GImGkfYLS7rw】
前言

上一篇博文《一篇文章看懂Java併發和執行緒安全(一)》講述了多執行緒中，程式總不能按照我們所看到的那樣執行，必須保證共享資料的可見性和執行臨界區程式碼的有序性，才能讓多執行緒程式執行成我們想要的樣子，本篇部落格將繼續深入講解一個有序而又亂序的Java世界。

本部落格重點導讀

工作記憶體與主記憶體的資料交換的細節

指令重排序與記憶體屏障

volatile、final、鎖的記憶體語義

as-if-serial、happens-before

進入細節

主記憶體與工作記憶體互動協議

JMM定義了8種基本操作來完成，主記憶體、工作記憶體和執行引擎之間的互動，分別是lock、unlock、read、load、use、assign、store、write，虛擬機器的實現向程式設計師保證每一種操作都是原子的，不可分割，對於double和long型別的64為變數不做保證。瞭解了這些，有助於幫我們理解記憶體屏障。

別看有8個操作，實際上是成對定義的連貫操作。我們具體來看怎麼記憶。

針對於主記憶體的單獨操作lock和unlock

·lock：作用於主記憶體、把變數標示為執行緒獨佔

·unlock：作用於主記憶體、釋放鎖定狀態

主記憶體到工作記憶體的讀交換

·read：作用於主記憶體，把主記憶體變數傳遞給工作記憶體

·load：作用於工作記憶體，把read操作傳過來的值放入工作記憶體

工作記憶體到主記憶體的寫交換

·store：作用於工作記憶體，把工作記憶體變數傳遞給主記憶體

·write：作用於主記憶體，把store過來的值寫入主記憶體變數

工作記憶體和執行引擎的資料交換

·use：作用於工作記憶體，把工作記憶體變數傳遞給執行引擎

·assign：作用於工作記憶體，把執行引擎的值賦給工作記憶體變數

上述的互動關係，可以用如下的圖來表示：

總體來說，工作記憶體和主記憶體的資料交換讀寫都是用兩組操作來完成，而執行引擎和工作記憶體的資料交換由兩個操作完成。當然，上述的8種操作必須滿足一些規則，這裡列舉一些我認為重要的，例如：

·read和load、store和write必須同時出現

·對變數執行lock操作，會清空工作記憶體中快取的該值，對變數執行unlock操作，必須先把值同步回主記憶體。

廢了這麼大的篇幅，講我們Java程式設計師並不關心的資料交換細節，是為了幫助我們理解後面的記憶體屏障，繫好安全帶，我們繼續來看一個完全錯亂的Java微觀世界。

亂序的Java世界

在單執行緒的世界裡，JMM向我們保證執行的正確性，那麼我們可以邏輯的認為程式碼是根據我們編寫的順序執行。那麼在多執行緒的世界裡，站一個執行緒的視角看另一個執行緒，我們將完全看不清執行的順序。並且也看不到對方執行結果。請看下面的程式碼：

假設有兩個執行緒A、B分別要執行write和read方法，A先進去執行、B隨後執行，先拋開a、b執行緒可見性問題，假設a、b對執行緒立即可見。最後c值是多少?可能是1，可能是2，甚至可能是0。接下來具體分析一下為什麼。

站在B的視角看，它看不清a=1和b=1誰先執行，由於指令重排序，很可能b=1先執行，請看下錶：

站在B執行緒的視角，B執行緒中read方法裡的程式碼是否會重排序呢，雖然這個方法的兩句話存在依賴關係，JMM支援不改變結果的指令重排，JMM無法預先判斷是否有其他執行緒在修改a的值，所以可能會重排，並且處理器會用猜測執行來重排。請看下錶：

指令重排序讓執行緒看不清對方執行緒的執行順序，也就是亂序的，那麼會有哪些級別的指令重排序呢?有三種：編譯器重排序、指令級重排序、記憶體級重排序。

記憶體屏障

指令重排序會導致多執行緒執行的無序，那麼JMM會禁止特定型別的指令重排序，JMM通過記憶體屏障來禁止某些指令重排序，那麼有哪些記憶體屏障呢?總共4類

·LoadLoad：前面的load會先於後面的load裝載

·StoreStore：前面的store會先於後面的store執行，也就是保證記憶體可見性

·LoadStore：前面的load先於後面的store執行

·StoreLoad：前面的store先於後面的Load執行

接下來分別看volatile、final、鎖，都有哪些記憶體語義，加了哪些記憶體屏障。

volatile

·對volatile變數的寫操作，前面插入StoreStore屏障，防止和上面的寫發生重排序;後面插入StoreLoad屏障，防止和後面的讀寫發生重排序。

·對volatile變數的讀操作，後面會插入兩個屏障，分別是LoadLoad、LoadStore，說白了就是，我是volatile變數，不管你下面的變數是讀或者寫，我都要先於你讀。

final

final本質上定義是final域與構造物件的引用之間的記憶體屏障。

在建構函式對final變數的寫人，與對建構函式物件引用的讀，不能重排序，本質上是插入了storeStore屏障，保證物件引用被讀之前，已經對final變數進行了寫人。這裡特別注意指標逃逸。

讀含有final變數的物件的引用，與讀final變數不能指令重排序，插入loadload屏障，保證先讀到物件引用，在讀final變數的值，也就是隻要物件構造完成，並且在建構函式中將final值寫入，另外一個執行緒肯定可以讀到，這是JMM的保證。

鎖

ReentrantLock中 有個private volatile int state，本質上是用的volatile的記憶體語義，這裡就省略講了。

as-if-serial、happens-before

前面說這麼多，指令重排序重排序，弄亂了Java程式，JMM提供volatile、final、鎖來禁止某些指令重排序，那麼記住這些重排序規則並非簡單的事，JMM用另外一種好記的理論來幫助程式設計師記憶。

as-if-serial：用通俗的話來解釋一下，單線中，程式邏輯的以我們看到的順序執行，這裡只是可以邏輯的認為順序執行，其實也會有不影響結果的指令重排，例如：

int i=1;int j=2;int a=i*j;

這裡i=1，j=1重排不影響結果，那麼實際上JMM是允許的。 有了as-if-serial，在單執行緒中，程式設計師不用擔心指令重排和記憶體可見性問題。

happens-before：happens-before保證如果A、B兩個操作存在happens before關係，那麼A操作的結果一定對B可見，有了可見性的保證，在加上正確的同步，就能寫出執行緒安全的程式碼。JSR133定義了哪些天然的happens-before關係呢?請看下面：

·一個執行緒內，每個操作happens-before後面的操作

·unlock操作happens-before對這個這個鎖的lock操作

·volatile寫操作happens-before讀操作

·執行緒的start方法happens-before此執行緒的所有其他操作

·執行緒所有操作happens-before對此執行緒的終止監測，例如，A執行緒呼叫B執行緒的join方法，如果join返回，那麼B執行緒的所有操作必定完成，且B執行緒的所有操作的資料必定對A執行緒可見。

·傳遞性，A happens-before B、B happens-before C，那麼A happens-before C

最後總結一下，上一篇文章中圍繞可見性和執行臨界區程式碼的順序性進行了說明，本篇文章，主要說的是可見性，就本質而言，加記憶體屏障，就是為了保證前面的操作對後面的操作可見，也就是我不能和你順序弄亂了，我得看著你怎麼執行，happens-before是JMM對Java程式設計師的承諾，記住這些規則，配合鎖，必定執行緒安全。

最後還有兩句話

在本執行緒內看，所有的操作都是有序的，這是as-if-serial的保證。

一個執行緒看另一個執行緒，所有的操作都是無序的，主要是兩方面所致，一方面是指令重排序，另一方面是不知道工作記憶體的值什麼時候同步到主記憶體。

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