前言
編程中可見性、原子性、有序性導致的問題常常會違背我們的直覺，從而成為並發編程的 Bug 之源。這三者在編程領域屬於共性問題，所有的編程語言都會遇到，Java 在誕生之初就支持多線程，自然也有針對這三者的技術方案，而且在編程語言領域處於領先地位。理解 Java 解決並發問題的解決方案，對於理解其他語言的解決方案有觸類旁通的效果。
那我們就先來聊聊如何解決其中的可見性和有序性導致的問題，這也就引出來了今天的主角——Java 內存模型。
什么是 Java 內存模型？
你已經知道，導致可見性的原因是緩存，導致有序性的原因是編譯優化，那解決可見性、有序性最直接的辦法就是禁用緩存和編譯優化，但是這樣問題雖然解決了，我們程序的性能可就堪憂了。
合理的方案應該是按需禁用緩存以及編譯優化。那么，如何做到“按需禁用”呢？對於並發程序，何時禁用緩存以及編譯優化只有程序員知道，那所謂“按需禁用”其實就是指按照程序員的要求來禁用。所以，為了解決可見性和有序性問題，只需要提供給程序員按需禁用緩存和編譯優化的方法即可。
Java 內存模型是個很復雜的規范，可以從不同的視角來解讀，站在我們這些程序員的視角，本質上可以理解為，Java 內存模型規范了 JVM 如何提供按需禁用緩存和編譯優化的方法。具體來說，這些方法包括 volatile、synchronized 和 final 三個關鍵字，以及六項 Happens-Before 規則，這也正是本期的重點內容。掌握這些方法，我們就可以按需地禁用緩存和編譯優化了，也就掌握了Java內存模型最核心的東西。
程序的順序性
在分析Happens-Before規則之前，一定要搞懂程序的順序性。程序的順序性指在編譯器以及CPU優化情況下(編譯器&CPU優化會破壞程序執行順序)，保證程序以單線程方式執行時，其結果的不變性。舉個例子，在單線中，下面的程序不論重復多少次(先執行writer后執行reader)，最后始終會輸出42。這只對單線程程序而言，多線程程序(一個線程執行writer，另一個線程執行reader)中可能會輸出0。
class Example {
int x = 0;
boolean v = false;
public void writer() {
this.x = 42;
this.v = true;
}
public void reader() {
while (true) {
if (v) {
print(x);
return;
}
}
}
}
程序的順序性在任何CPU，任何編程語言中都需遵守的基本規則，因此Java語言或者說Java內存模型天然支持的。因此，Happens-Before規則其實應用於多線程場景，我們在編寫多線程程序時一定要考慮到Happens-Before規則的使用。
Happens-Before 規則
如何理解 Happens-Before 呢？如果望文生義（很多網文也都愛按字面意思翻譯成“先行發生”），那就南轅北轍了，Happens-Before 並不是說前面一個操作發生在后續操作的前面，它真正要表達的是：前面一個操作的結果對后續操作是可見的。就像有心靈感應的兩個人，雖然遠隔千里，一個人心之所想，另一個人都看得到。Happens-Before 規則就是要保證線程之間的這種“心靈感應”。所以比較正式的說法是：Happens-Before 約束了編譯器的優化行為，雖允許編譯器優化，但是要求編譯器優化后一定遵守 Happens-Before 規則。
Happens-Before 規則應該是 Java 內存模型里面最晦澀的內容了，和程序員相關的規則一共有如下七項，都是關於可見性的。
恰好前面示例代碼涉及到這六項規則中的前三項，為便於你理解，我也會分析上面的示例代碼，來看看規則 1、2 和 3 到底該如何理解。至於其他三項，我也會結合其他例子作以說明。
volatile 變量規則
這條規則是指對一個 volatile 變量的寫操作， Happens-Before 於后續對這個 volatile 變量的讀操作，即被volatile修飾的變量寫對讀是可見的，確保線程在執行讀操作時始終拿到的是新值。同時volatile禁止重排序功能，被volatile修飾的變量在進行讀寫時，這些變量是不能重排序；volatile變量前后的讀寫操作不能重排序
volatile int a;
volatile int b;
volatile int c;
int d;
int e;
int f;
//(1)(2)(3)不能重排序
a=10; (1)
b=20; (2)
c=30; (3)
//將(5)看成一堵障礙，其前后的操作不能跨越障礙
//因此(4)不能滯后於(5)執行，(6)(7)不能先於(5執行)，但(6)(7)可以重排序執行
d=40; (4)
b=50; (5)
e=60; (6)
f=70; (7)
傳遞性規則
這條規則是指如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。
在解釋傳遞性規則之前先修改開始出現的那段代碼，用volatile修飾v變量
class Example {
int x = 0;
volatile boolean v = false;
public void writer() {
this.x = 42;
this.v = true;
}
public void reader() {
while (true) {
if (v) {
print(x);
return;
}
}
}
}
我們將傳遞性應用到我們的例子中，會發生什么呢？可以看下面這幅圖：
示例代碼中的傳遞性規則
從圖中，我們可以看到：
“x=42” Happens-Before 寫變量 “v=true” ，這是volatile規則的內容；
寫變量“v=true” Happens-Before 讀變量 “v=true”，這是volatile規則的內容 。
再根據這個傳遞性規則，我們得到結果：“x=42” Happens-Before 讀變量“v=true”。這意味着什么呢？
如果線程 B 讀到了“v=true”，那么線程 A 設置的“x=42”對線程 B 是可見的。也就是說，線程 B 能看到 “x == 42”
管程中鎖的規則
這條規則是指對一個鎖的解鎖 Happens-Before 於后續對這個鎖的加鎖，且被鎖保護的共享資源在進行寫操作時對其他線程可見。
要理解這個規則，就首先要了解“管程指的是什么”。管程是一種通用的同步原語，在 Java 中指的就是 synchronized，synchronized 是 Java 里對管程的實現。
管程中的鎖在 Java 里是隱式實現的，例如下面的代碼，在進入同步塊之前，會自動加鎖，而在代碼塊執行完會自動釋放鎖，加鎖以及釋放鎖都是編譯器幫我們實現的。
synchronized (this) { //此處自動加鎖
// x是共享變量,初始值=10
if (this.x < 12) {
this.x = 12;
}
} //此處自動解鎖
所以結合規則 4——管程中鎖的規則，可以這樣理解：假設 x 的初始值是 10，線程 A 執行完代碼塊后 x 的值會變成 12（執行完自動釋放鎖），線程 B 進入代碼塊時，能夠看到線程 A 對 x 的寫操作，也就是線程 B 能夠看到 x==12。
線程 start() 規則
這條是關於線程啟動的。它是指主線程 A 啟動子線程 B 后，子線程 B 能夠看到主線程在啟動子線程 B 前的操作。
換句話說就是，如果線程 A 調用線程 B 的 start() 方法（即在線程 A 中啟動線程 B），那么該 start() 操作 Happens-Before 於線程 B 中的任意操作。具體可參考下面示例代碼。
Thread B = new Thread(()->{
// 主線程調用B.start()之前
// 所有對共享變量的修改，此處皆可見
// 此例中，var==77
});
// 此處對共享變量var修改
var = 77;
// 主線程啟動子線程
B.start();
線程 join() 規則
這條是關於線程等待的。它是指主線程 A 等待子線程 B 完成（主線程 A 通過調用子線程 B 的 join() 方法實現），當子線程 B 完成后（主線程 A 中 join() 方法返回），主線程能夠看到子線程的操作。當然所謂的“看到”，指的是對共享變量的操作。
換句話說就是，如果在線程 A 中，調用線程 B 的 join() 並成功返回，那么線程 B 中的任意操作 Happens-Before 於該 join() 操作的返回。具體可參考下面示例代碼。
Thread B = new Thread(()->{
// 此處對共享變量var修改
var = 66;
});
// 例如此處對共享變量修改，
// 則這個修改結果對線程B可見
// 主線程啟動子線程
B.start();
B.join()
// 子線程所有對共享變量的修改
// 在主線程調用B.join()之后皆可見
// 此例中，var==66
線程中斷規則
對線程interrupt()方法的調用先行發生於被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生
//線程A此處對共享變量var修改
var = 66
//中斷線程B
B.interrupt()
線程B被中斷后，線程B看到共享變量var的值應為66
final規則
前面我們講 volatile 為的是禁用緩存以及編譯優化，我們再從另外一個方面來看，有沒有辦法告訴編譯器優化得更好一點呢？這個可以有，就是 final 關鍵字。
final 修飾變量時，初衷是告訴編譯器：這個變量生而不變，可以可勁兒優化。Java 編譯器在 1.5 以前的版本的確優化得很努力，以至於都優化錯了。但是final使用不當會導致對象“逸出”。
“逸出”有點抽象，我們還是舉個例子吧，在下面例子中，在構造函數里面將 this 賦值給了全局變量 global.obj，這就是“逸出”，線程通過 global.obj 讀取 x 是有可能讀到 0 的。因此我們一定要避免“逸出”。
因此在編程時最好不要在構造函數中把this賦值給一個全局變量。
final int x;
// 錯誤的構造函數
public FinalFieldExample() {
x = 3;
y = 4;
// 此處就是講this逸出，
global.obj = this;
}
總結
Java 的內存模型是並發編程領域的一次重要創新，之后 C++、C#、Golang 等高級語言都開始支持內存模型。Java 內存模型里面，最晦澀的部分就是 Happens-Before 規則了，Happens-Before 規則最初是在一篇叫做 Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System 的論文中提出來的，在這篇論文中，Happens-Before 的語義是一種因果關系。在現實世界里，如果 A 事件是導致 B 事件的起因，那么 A 事件一定是先於（Happens-Before）B 事件發生的，這個就是 Happens-Before 語義的現實理解。
在 Java 語言里面，Happens-Before 的語義本質上是一種可見性，A Happens-Before B 意味着 A 事件對 B 事件來說是可見的，無論 A 事件和 B 事件是否發生在同一個線程里。例如 A 事件發生在線程 1 上，B 事件發生在線程 2 上，Happens-Before 規則保證線程 2 上也能看到 A 事件的發生。
Java 內存模型主要分為兩部分，一部分面向你我這種編寫並發程序的應用開發人員，另一部分是面向 JVM 的實現人員的，我們可以重點關注前者，也就是和編寫並發程序相關的部分，這部分內容的核心就是 Happens-Before 規則。相信經過本章的介紹，你應該對這部分內容已經有了深入的認識。
參考
JSR-133: JavaTMMemory Model and Thread Specification
Java 內存模型 FAQ