概要
文章是《深入理解Java內容模型》讀書筆記，該書總共包括了3部分的知識。
第1部分，基本概念
包括“並發、同步、主內存、本地內存、重排序、內存屏障、happens before規則、as-if-serial規則、數據依賴性、順序一致性模型、JMM的含義和意義”。
第2部分，同步機制
該部分中就介紹了“同步”的3種方式：volatile、鎖、final。對於每一種方式，從該方式的“特性”、“建立的happens before關系”、“對應的內存語義”、“實現方式”等幾個方面進行了分析說明。實際上，JMM保證“如果程序正確同步，則執行結果與順序一致性內存模型的結果相同”的機制；而這部分這是確保程序正確同步的機制。
第3部分，JMM總結
第1部分 基本概念
1. 並發
定義：即，並發(同時)發生。在操作系統中，是指一個時間段中有幾個程序都處於已啟動運行到運行完畢之間，且這幾個程序都是在同一個處理機上運行，但任一個時刻點上只有一個程序在處理機上運行。
並發需要處理兩個關鍵問題：線程之間如何通信及線程之間如何同步。
(01) 通信 —— 是指線程之間如何交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機制有兩種：共享內存和消息傳遞。
(02) 同步—— 是指程序用於控制不同線程之間操作發生相對順序的機制。在Java中，可以通過volatile，synchronized, 鎖等方式實現同步。
2.主內存和本地內存
主內存 —— 即main memory。在java中，實例域、靜態域和數組元素是線程之間共享的數據，它們存儲在主內存中。
本地內存 —— 即local memory。 局部變量，方法定義參數 和 異常處理器參數是不會在線程之間共享的，它們存儲在線程的本地內存中。
3.重排序
定義：重排序是指“編譯器和處理器”為了提高性能，而在程序執行時會對程序進行的重排序。
說明：重排序分為——“編譯器”和“處理器”兩個方面，而“處理器”重排序又包括“指令級重排序”和“內存的重排序”。
關於重排序，我們需要理解它的思想：為了提高程序的並發度，從而提高性能！但是對於多線程程序，重排序可能會導致程序執行的結果不是我們需要的結果！因此，就需要我們通過“volatile，synchronize，鎖等方式”作出正確的實現同步。
4.內存屏障
定義：包括LoadLoad, LoadStore, StoreLoad, StoreStore共4種內存屏障。內存屏障是與相應的內存重排序相對應的。
| 屏障類型 |
指令示例 |
說明 |
| LoadLoad Barriers |
Load1; LoadLoad; Load2 |
確保Load1數據的裝載，之前於Load2及所有后續裝載指令的裝載。 |
| StoreStore Barriers |
Store1; StoreStore; Store2 |
確保Store1數據對其他處理器可見（刷新到內存），之前於Store2及所有后續存儲指令的存儲。 |
| LoadStore Barriers |
Load1; LoadStore; Store2 |
確保Load1數據裝載，之前於Store2及所有后續的存儲指令刷新到內存。 |
| StoreLoad Barriers |
Store1; StoreLoad; Load2 |
確保Store1數據對其他處理器變得可見（指刷新到內存），之前於Load2及所有后續裝載指令的裝載。StoreLoad Barriers會使該屏障之前的所有內存訪問指令（存儲和裝載指令）完成之后，才執行該屏障之后的內存訪問指令。 |
作用：通過內存屏障可以禁止特定類型處理器的重排序，從而讓程序按我們預想的流程去執行。
5. happens-before
定義：JDK5(JSR-133)提供的概念，用於描述多線程操作之間的內存可見性。如果一個操作執行的結果需要對另一個操作可見，那么這兩個操作之間必須存在happens-before關系。
作用：描述多線程操作之間的內存可見性。
[程序順序規則]：一個線程中的每個操作，happens- before 於該線程中的任意后續操作。
[監視器鎖規則]：對一個監視器鎖的解鎖，happens- before 於隨后對這個監視器鎖的加鎖。
[volatile變量規則]：對一個volatile域的寫，happens- before 於任意后續對這個volatile域的讀。
[傳遞性]：如果A happens- before B，且B happens- before C，那么A happens- before C。
6. 數據依賴性
定義：如果兩個操作訪問同一個變量，且這兩個操作中有一個為寫操作，此時這兩個操作之間就存在數據依賴性。
作用：編譯器和處理器不會對“存在數據依賴關系的兩個操作”執行重排序。
7.as-if-serial
定義：不管怎么重排序，程序的執行結果不能被改變。
8. 順序一致性內存模型
定義：它是理想化的內存模型。有以下規則：
(01) 一個線程中的所有操作必須按照程序的順序來執行。
(02) 所有線程都只能看到一個單一的操作執行順序。在順序一致性內存模型中，每個操作都必須原子執行且立刻對所有線程可見。
9. JMM
定義：Java Memory Mode，即Java內存模型。它是Java線程之間通信的控制機制。
說明：JMM對Java程序作出保證——如果程序是正確同步的，程序的執行將具有順序一致性。即，程序的執行結果與該程序在順序一致性內存模型中的執行結果相同。
10. 可見性
可見性一般用於指不同線程之間的數據是否可見。
在java中， 實例域、靜態域和數組元素這些數據是線程之間共享的數據，它們存儲在主內存中；主內存中的所有數據對該內存中的線程都是可見的。而局部變量，方法定義參數 和 異常處理器參數這些數據是不會在線程之間共享的，它們存儲在線程的本地內存中；它們對其它線程是不可見的。
此外，對於主內存中的數據，在本地內存中會對應的創建該數據的副本(相當於緩沖)；這些副本對於其它線程也是不可見的。
11. 原子性
是指一個操作是按原子的方式執行的。要么該操作不被執行；要么以原子方式執行，即執行過程中不會被其它線程中斷。
第2部分 同步機制
1.volatile
1.1 作用
如果一個變量是volatile類型，則對該變量的讀寫就將具有原子性。如果是多個volatile操作或類似於volatile++這種復合操作，這些操作整體上不具有原子性。volatile變量自身具有下列特性：
[可見性]：對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最后的寫入。
[原子性]：對任意單個volatile變量的讀/寫具有原子性，但類似於volatile++這種復合操作不具有原子性。
1.2 volatile的內存語義
volatile寫：當寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存中的共享變量刷新到主內存。
volatile讀：當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存置為無效。線程接下來將從主內存中讀取共享變量。
1.3 JMM中的實現方式
JMM針對編譯器制定的volatile重排序規則表：
| 是否能重排序 |
第二個操作 |
||
| 第一個操作 |
普通讀/寫 |
volatile讀 |
volatile寫 |
| 普通讀/寫 |
|
|
NO |
| volatile讀 |
NO |
NO |
NO |
| volatile寫 |
|
NO |
NO |
下面是基於保守策略的JMM內存屏障插入策略：
在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障。
在每個volatile寫操作的后面插入一個StoreLoad屏障。
在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadLoad屏障。
在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadStore屏障。
1.4 volatile和 synchronize對比
在功能上，監視器鎖比volatile更強大；在可伸縮性和執行性能上，volatile更有優勢。
volatile僅僅保證對單個volatile變量的讀/寫具有原子性；而synchronize鎖的互斥執行的特性可以確保對整個臨界區代碼的執行具有原子性。
2.鎖
2.1 作用
鎖是java並發編程中最重要的同步機制。
2.2 鎖的內存語義
(01) 線程A釋放一個鎖，實質上是線程A向接下來將要獲取這個鎖的某個線程發出了（線程A對共享變量所做修改的）消息。
(02) 線程B獲取一個鎖，實質上是線程B接收了之前某個線程發出的（在釋放這個鎖之前對共享變量所做修改的）消息。
(03) 線程A釋放鎖，隨后線程B獲取這個鎖，這個過程實質上是線程A通過主內存向線程B發送消息。
2.3 JMM如何實現鎖
公平鎖
公平鎖是通過“volatile”實現同步的。公平鎖在釋放鎖的最后寫volatile變量state；在獲取鎖時首先讀這個volatile變量。根據volatile的happens-before規則，釋放鎖的線程在寫volatile變量之前可見的共享變量，在獲取鎖的線程讀取同一個volatile變量后將立即變的對獲取鎖的線程可見。
非公平鎖
通過CAS實現的，CAS就是compare and swap。CAS實際上調用的JNI函數，也就是CAS依賴於本地實現。以Intel來說，對於CAS的JNI實現函數，它保證：(01)禁止該CAS之前和之后的讀和寫指令重排序。(02)把寫緩沖區中的所有數據刷新到內存中。
3.final
3.1 特性
對於基本類型的final域，編譯器和處理器要遵守兩個重排序規則：
(01) final寫：“構造函數內對一個final域的寫入”，與“隨后把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變量”，這兩個操作之間不能重排序。
(02) final讀：“初次讀一個包含final域的對象的引用”，與“隨后初次讀對象的final域”，這兩個操作之間不能重排序。
對於引用類型的final域，除上面兩條之外，還有一條規則：
(03) final寫：在“構造函數內對一個final引用的對象的成員域的寫入”，與“隨后在構造函數外把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變量”，這兩個操作之間不能重排序。
注意：
寫final域的重排序規則可以確保：在引用變量為任意線程可見之前，該引用變量指向的對象的final域已經在構造函數中被正確初始化過了。其實要得到這個效果，還需要一個保證：在構造函數內部，不能讓這個被構造對象的引用為其他線程可見，也就是對象引用不能在構造函數中“逸出”。
3.2 JMM如何實現final
通過“內存屏障”實現。
在final域的寫之后，構造函數return之前，插入一個StoreStore障屏。在讀final域的操作前面插入一個LoadLoad屏障。
第3部分JMM總結
JMM保證：如果程序是正確同步的，程序的執行將具有順序一致性 。
JMM設計
從JMM設計者的角度來說，在設計JMM時，需要考慮兩個關鍵因素：
(01) 程序員對內存模型的使用。程序員希望內存模型易於理解，易於編程。程序員希望基於一個強內存模型(程序盡可能的順序執行)來編寫代碼。
(02) 編譯器和處理器對內存模型的實現。編譯器和處理器希望內存模型對它們的束縛越少越好，這樣它們就可以做盡可能多的優化(對程序重排序，做盡可能多的並發)來提高性能。編譯器和處理器希望實現一個弱內存模型。
JMM設計就需要在這兩者之間作出協調。JMM對程序采取了不同的策略：
(01) 對於會改變程序執行結果的重排序，JMM要求編譯器和處理器必須禁止這種重排序。
(02) 對於不會改變程序執行結果的重排序，JMM對編譯器和處理器不作要求（JMM允許這種重排序）。
參考文獻
1. 程曉明的“深入理解Java內存模型”的博客
http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-1
2. The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers
http://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html