J.U.C JMM. pipeline.指令重排序，happen-before(续)

      前面已经介绍硬件平台Cache Coherence问题和解决办法，下面来看看Java虚拟机平台的相关知识。硬件平台处理器，高速缓存，主存之间的交互关系以下：

Java内存模型（JMM）

       Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型(Java Memory Model, JMM)来屏蔽掉底层各类硬件和操做系统的内存访问差别，以实现让Java程序在各类平台下都能达到一致的内存访问效果。

•   主内存和工做内存

      Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这些的底层细节。此处的变量与Java编程中所说的变量有所区别，它包括了实例字段，静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，由于后者是线程私有的，不会被共享，天然也就不存在竞争问题。为了得到较好的执行效能，Java内存模型并无限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或者缓存来和主存进行交互，也没有限制及时编译器进行调整代码执行顺序之类的优化措施。

      Java内存模型规定了全部的变量都存储在主存中。每条线程还有本身的工做内存，线程的工做内存中保存了被该线程使用到的变量的主存副本的copy.线程对变量的全部操做(读取，赋值等)都必须在工做内存中进行，而不能直接读写主存中的变量。不一样的线程之间也没法直接访问对方工做内存中的变量，线程间变量值的传递均须要经过主存来完成，线程，主存，工做内存三者的交互关系以下：

• 内存间交互操做

      关于主存和工做内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主存拷贝到工做内存，如何从工做内存同步到主存之类的实现细节，Java内存模型中定义了一下8种操做完成，虚拟机实现时必须保证下面说起的每一种操做都是原子的，不可再分的(对于double和long类型的变量来讲，load, store, read和write操做在某些平台下容许例外)

1.   lock(锁定)     ： 做用于主存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
2.   unlock(解锁) ： 做用于主存的变量， 它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能够被其余线程锁定。
3.   read(读取)    ： 做用于主存的变量， 它把一个变量的值从主存传输到线程的工做内存中，以便后续的load动做使用。
4.   load(载入)    ：  做用于工做内存的变量，它把read操做从主存中获得的变量值放入工做内存的变量副本中。
5.   use(使用)     ：  做用于工做内存的变量，它把工做内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个须要使用到变量的值的字节码指令时就会执行这个操做。
6.   assign(赋值) ：  做用于工做内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工做内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时就会执行该操做。
7.   store(存储)   ：  做用与工做内存的变量，它把工做内存中一个变量的值传递给主内存中，以便随后的write操做使用。
8.   write(写入)   ： 做用于主存的变量，它把store操做从工做内存中获得的变量放人主存的变量中。

      若是要把一个变量从主存赋值到工做内存，那就要顺序执行read和load操做，若是要把变量从工做内存同步到主存中，就要顺序的执行store和write操做。主要，Java内存模型只要求上述两个操做必须按顺序执行，而没有保证连续执行。也就是说，read和load操做之间，store和write操做之间是能够插入其余指令的，如主存中的变量a,b进行访问时，一种可能出现的顺序是read a, read b,l oad b, load a。除此以外，Java内存模型还规定了在执行上述8中基本操做时必须知足以下规则：

•      不容许read和load, store和write操做之一单独出现， 既不容许一个变量从主存读取了但工做内存不接受，或者从工做内存发起回写了但主存不接受的状况出现。
•      不容许一个线程丢弃它最近的assign操做，即变量在工做内存中改变了以后必须把该变化同步到主存中。
•      不容许一个线程无缘由的(没有发生过任何assign操做)把数据从线程的工做内存同步回主存中。
•      一个新的变量只能在主存中"诞生",不容许在工做内存中直接使用一个未被初始化(load或assign)的变量，换句话说，就是对一个变量实施use，store操做以前，必须先执行过了assign和load操做。
•      一个变量在同一个时刻只容许被一条线程对其进行lock操做，但lock操做能够被同一条线程重复执行屡次，屡次执行lock后，只有执行相同次数的unclock操做，变量才会被解锁。
•      若是对一个变量执行lock操做，那将会清空工做内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，须要从新执行load或assign操做初始化变量的值。
•      若是一个变量事先没有被lock操做锁定，那么就不容许对它执行unlock操做，也不容许去unlock一个被其余线程lock住的变量。
•      对一个变量执行unlock操做以前，必须先把此变量同步回主存中(执行store, write操做)。

  

     这八种内存访问操做以及上述规则限定，再加上稍后介绍的对volatile的一些特殊规定，就已经彻底肯定Java程序中哪些内存访问操做在并发下是安全的。

 

Volatile关键字

     关键字volatile能够说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。当一个变量定义为volatile后，他将具有两种特性

     1：保证此变量对全部线程的可见性，这里的"可见性"是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其余线程来讲是当即得知的。而普通变量不能作到这一点，普通变量的值在线程间传递均须要经过主存来完成，例如：

线程A修改一个普通变量的值，而后向主存进行回写，另一条线程B在线程A回写完成以后再从主存进行读取操做，新变量值才会对线程B可见。

     因为volatile变量只能保证可见性，在不符合一下条规则的运算场景中，咱们任然要经过加锁(使用synchronized，reetrantlock或者java.util.comcurrent.atomic.*)来保证原子性。

•    运算结果并不依赖变量的当前值(i++)。
•    变量不须要和其余的状态变量共同参与不变性约束。

     2：使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化。(具体指令重排序请见上篇)

     

    最后来看看Java内存模型中对volatile变量定义的特殊规则。假如T表示一个线程，V和W分别表示两个volatile型变量，那么在进行read, load, use, assgin,  store, write操做时须要知足以下规则：

•     只有当线程T对变量V执行的前一个动做是load操做，线程T才能对变量V执行use操做动做；而且，只有当线程T对变量V执行的后一个动做是use的时候，线程T才对变量V执行load操做。线程T变量V的use动做能够认为是和线程T对变量V的load. read动做相关联，必须连续一块儿出现(这条规则要求在工做内存中，每次使用V前都必须先从主存中刷新最新的值， 用于保证能看见其余线程对变量V所作的修改后的值)。
•     只有当线程T对变量V执行的前一动做是assign的时候，线程T才能对变量V执行store动做；而且，只有当线程T对变量V执行的后一个动做为store的时候，线程T才能对变量V执行assign操做。线程T对变量V的assign操做能够认为是和线程T对变量V的store, write操做相关联， 必须连续在一块儿出现(这条规则要求在工做内存中，每次修改V后都必须马上同步到主存中，用于保证其余线程能够看到本身对变量V所作的修改)。
•     假定动做A是线程T对变量V实施的use或assgin操做， 假定动做F是和动做A相关联的load或者store操做， 假定动做P是和动做F相应的对变量V的read, write操做；相似的，假定动做B是线程T对变量W实施的use或者assign操做，假定动做G是和动做B相关联的Load和store操做， 假定动做Q是和动做G相应的对变量W的read和write操做。 若是A先于B， 那么P先于Q(这条规则要求volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，保证代码的执行顺序与程序的顺序相同)

 

原子性，可见性，有序性

       Java内存模型是围绕着在并发过程当中如何处理原子性，可见性和有序性这三个特征创建的：

•    原子性： 由Java内存模型来直接保证的原子性变量操做包括read， load,  use ,  assgin  ,  write，咱们大体能够认为基本数据类型的访问读写是具有原子性的(long, double的非原子性协定)。若是应用场景须要一个范围更大的原子性保证(常常会遇到)，Java内存模型还提供了lock和unlock操做来知足这种需求，经管虚拟机未把lock和unlock操做直接开放给用户使用，可是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和moniterexit来隐式的使用这两个操做，这两个字节码指令反应到Java代码中就是同步块-synchronized关键字，所以在synchronized块之间的操做也具有原子性。
•    可见性： 可见性是当一个线程修改了共享变量的值， 其余线程可以马上得知这个修改。上面的volatile已经说明，Java内存模型是经过在变量修改后将新值同步回主存，在变量读取前从主存刷新变量值这种依赖主存做为传递媒介的方式来实现可见性，不管是普通变量仍是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是，volatile的特殊性保证了新值可以马上同步到主存中，以及每次使用变量前马上从主存刷新。除了volatile以外，Java还有两个关键字可以实现可见性，即synchronized和final。 同步块的可见性是由"对一个变量执行unlock操做以前，必须先把此变量同步回主存中(执行store ，write操做)"。final关键字的可见性是指，被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，而且构造器没有把this的引用传递出去(this引用逃逸是一件很危险的事情，其余线程有可能经过这个引用访问到"初始化了一半的"对象)，那么在其余线程中就能看见final字段的值。
•    有序性： Java内存模型的有序性在前面谈volatile时说过，Java程序中自然的有序性能够总结为一句话，若是在本线程内观察，全部的操做都是有序的；若是在一个线程中观察另外一个线程，全部的操做都是无序的。前半句是指"线程内表现为串行的语义"，后半句是指"指令重排序"现象和"工做内存和主存同步延迟"现象。

 

happen-before

    Java内存模型下一些”自然的“先行发生关系，无序任何同步器协助就已经存在了，以下：

1.     程序次序规则：      在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操做先行发生于书写在后面的操做。
2.     管程锁定规则：      一个unlock操做先行发生于后面对同一个锁的lock操做。
3.     volatile变量规则 ：对一个volatile变量的写操做先行发生于后面对该变量的读操做。
4.     线程启动规则：      Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个动做(即run()中的操做)。
5.     线程终止规则：      线程中的全部操做都先行发生于对此线程的终止检查。咱们能够经过Thread.join()方法结束，Thread.isAlive()返回值等手段检查到线程已经终止执行。
6.     线程中断规则：      对线程interrupt()方法的调用先行发生于对此线程被中断线程的代码检测到中断事件的发生，能够经过Thread.interrupted(),Thread.isInterrupted()方法来检查到是否发生中断事件。
7.     对象终结规则：      一个对象的初始化完成(构造函数执行完毕)先行发生于他的finalize()方法的开始。
8.     传递性         ：     若是操做A先行发生于操做B，操做B先行发生于C， 那么就能够获得A先行发生于操做C。

 

线程安全：

      Java Concurrency in Practic: 当多个线程访问同一类时，若是不要考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替运行，而且不须要额外的同步及调用方代码没必要作其余的协调，这个类的行为任然是正确的，那么这个类就是线程安全的。

      显然只有资源竞争时才会致使线程不安全，所以无状态对象永远是线程安全的。

      原子操做：多个线程执行一个操做时，其中任何一个线程要么彻底执行完该操做，要么没有执行此操做的任何步骤，那么这个操做就是原子的。