Java内存模型

1.共享变量

   在java程序中所有实例域，静态域和数组元素都是放在堆内存中（所有线程均可访问到，是可以共享的），而局部变量、方法定义参数和异常处理器参数不会在线程间共享。共享数据会出现线程安全的问题，而非共享数据不会出现线程安全的问题。 

2.JMM结构模型 

        

在多线程条件下，多个线程肯定会相互协作完成一件事情，一般来说就会涉及到多个线程间相互通信告知彼此的状态以及当前的执行结果。如图所示线程A和线程B之间要完成通信的话，要经历如下两步：

 线程A从主内存中将共享变量读入线程A的工作内存后并进行操作，之后将数据重新写回到主内存中；
            线程B从主存中读取最新的共享变量；
            如果线程A更新后数据并没有及时写回到主存，而此时线程B读到的是过期的数据，这就出现了“脏读”现象。可以通过同步机制来解决或者通过volatile关键字使得每次volatile变量都能够强制刷新到主存，从而对每个线程都是可见的。

3. 重排序 

  出现线程安全的问题一般是因为主内存和工作内存数据不一致性和重排序导致的 ，上面我们了解了主内存和工作内存数据不一致性，下面我们再了解重排序。

  为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令进行重排序。一般重排序可以分为如下三种：

              

 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，可以重新安排语句的执行顺序；
            2.指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。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。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行的。 

针对编译器重排序，JMM的编译器重排序规则会禁止一些特定类型的编译器重排序；针对处理器重排序，编译器在生成指令序列的时候会通过插入内存屏障指令来禁止某些特殊的处理器重排序。我们举个例子，看看什么情况下禁止重排序？代码如下：

 int A=1;
 int B=2;
 int C=A*B;

由于A,B之间没有任何关系，对最终结果也不会存在关系，它们之间执行顺序可以重排序。因此可以执行顺序可以是A->B->C或者B->A->C执行最终结果都是2，即A和B之间没有数据依赖性。

编译器和处理器在重排序时，会遵守数据依赖性，编译器和处理器不会改变存在数据依赖性关系的两个操作的执行顺序 。另外针对单线程还有个as-if-serial语义：不管怎么重排序，程序的执行结果不能被改变。比如上面代码，在单线程中，会让人感觉代码是一行一行顺序执行上，实际上A,B不存在数据依赖性可能会进行重排序，即A，B可能不按顺序执行的。

4. happens-before 

由于这两个操作可以在一个线程之内，也可以是在多线程之间。因此，JMM可以通过happens-before关系提供跨线程的内存可见性保证（如果A线程的写操作a与B线程的读操作b之间存在happens-before关系，尽管a操作和b操作在不同的线程中执行，但JMM保证a操作将对b操作可见）。具体的定义为：

 一.如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前

  二.两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着Java平台的具体实现必须要按照happens-before关系指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果，与按happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不禁止。                          

另外happens-before有六项规则，具体如下：                                                                                                                                    1.程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。
            2.监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。
            3.volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。
            4.传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。
            5.start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。
           6.join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。
          7.程序中断规则：对线程interrupted()方法的调用先行于被中断线程的代码检测到中断时间的发生。
          8.对象finalize规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行于发生它的finalize()方法的开始。

以前面代码为例，根据程序顺序规则（规则1）存在三个happens-before关系：1. A happens-before B；2. B happens-before C;3. A happens-before C。A happens-before B,定义一要求A执行结果对B可见，并且A操作的执行顺序在B操作之前，但与此同时利用定义二，A,B操作彼此不存在数据依赖性，两个操作的执行顺序对最终结果都不会产生影响，在不改变最终结果的前提下，允许A，B两个操作重排序。