JVM内存相关原则

JMM 规定所有变量都存储在主内存，每条线程有自己的工作内存，工作内存中保存被该线程使用的变量的主内存副本，线程对变量的所有操作都必须在工作空间进行，不能直接读写主内存数据。不同线程间无法直接访问对方工作内存中的变量，线程通信必须经过主内存。

关于主内存与工作内存的交互，即变量如何从主内存拷贝到工作内存、从工作内存同步回主内存，JMM 定义了 8 种原子操作：

操作	作用变量范围	作用
lock	主内存	把变量标识为线程独占状态
unlock	主内存	释放处于锁定状态的变量
read	主内存	把变量值从主内存传到工作内存
load	工作内存	把 read 得到的值放入工作内存的变量副本
user	工作内存	把工作内存中的变量值传给执行引擎
assign	工作内存	把从执行引擎接收的值赋给工作内存变量
store	工作内存	把工作内存的变量值传到主内存
write	主内存	把 store 取到的变量值放入主内存变量中

as-if-serial

不管怎么重排序，单线程程序的执行结果不能改变，编译器和处理器必须遵循 as-if-serial 语义。

为了遵循 as-if-serial，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作重排序，因为这种重排序会改变执行结果。但是如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序。

as-if-serial 把单线程程序保护起来，给程序员一种幻觉：单线程程序是按程序的顺序执行的。

happens-before

先行发生原则，JMM 定义的两项操作间的偏序关系，是判断数据是否存在竞争的重要手段。

JMM 将 happens-before 要求禁止的重排序按是否会改变程序执行结果分为两类。对于会改变结果的重排序 JMM 要求编译器和处理器必须禁止，对于不会改变结果的重排序，JMM 不做要求。

JMM 存在一些天然的 happens-before 关系，无需任何同步器协助就已经存在。如果两个操作的关系不在此列，并且无法从这些规则推导出来，它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意进行重排序。

1. 程序次序规则：一个线程内写在前面的操作先行发生于后面的。
2. 管程锁定规则： unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。
3. volatile 规则：对 volatile 变量的写操作先行发生于后面的读操作。
4. 线程启动规则：线程的 start 方法先行发生于线程的每个动作。
5. 线程终止规则：线程中所有操作先行发生于对线程的终止检测。
6. 对象终结规则：对象的初始化先行发生于 finalize 方法。
7. 传递性：如果操作 A 先行发生于操作 B，操作 B 先行发生于操作 C，那么操作 A 先行发生于操作 C 。

as-if-serial 保证单线程程序的执行结果不变，happens-before 保证正确同步的多线程程序的执行结果不变。

这两种语义的目的都是为了在不改变程序执行结果的前提下尽可能提高程序执行并行度。

指令重排序

为了提高性能，编译器和处理器通常会对指令进行重排序，重排序指从源代码到指令序列的重排序，分为三种：① 编译器优化的重排序，编译器在不改变单线程程序语义的前提下可以重排语句的执行顺序。② 指令级并行的重排序，如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。③ 内存系统的重排序。

原子性

基本数据类型的访问都具备原子性，例外就是 long 和 double，虚拟机将没有被 volatile 修饰的 64 位数据操作划分为两次 32 位操作。

如果应用场景需要更大范围的原子性保证，JMM 还提供了 lock 和 unlock 操作满足需求，尽管 JVM 没有把这两种操作直接开放给用户使用，但是提供了更高层次的字节码指令 monitorenter 和 monitorexit，这两个字节码指令反映到 Java 代码中就是 synchronized。

原子性、可见性、有序性

可见性

可见性指当一个线程修改了共享变量时，其他线程能够立即得知修改。JMM 通过在变量修改后将值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新的方式实现可见性，无论普通变量还是 volatile 变量都是如此，区别是 volatile 保证新值能立即同步到主内存以及每次使用前立即从主内存刷新。

除了 volatile 外，synchronized 和 final 也可以保证可见性。同步块可见性由"对一个变量执行 unlock 前必须先把此变量同步回主内存，即先执行 store 和 write"这条规则获得。final 的可见性指：被 final 修饰的字段在构造方法中一旦初始化完成，并且构造方法没有把 this 引用传递出去，那么其他线程就能看到 final 字段的值。

有序性

有序性可以总结为：在本线程内观察所有操作是有序的，在一个线程内观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句指 as-if-serial 语义，后半句指指令重排序和工作内存与主内存延迟现象。

Java 提供 volatile 和 synchronized 保证有序性，volatile 本身就包含禁止指令重排序的语义，而 synchronized 保证一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作，确保持有同一个锁的两个同步块只能串行进入。