## 13 問題的根源—Java內存模型簡介 > 世界上最寬闊的是海洋，比海洋更寬闊的是天空，比天空更寬闊的是人的胸懷。 > ——雨果 JAVA內存模型即JMM（Java Memory Model），有些人會和Java內存結構混淆。雖然兩者名字很接近，但描述的為不同內容。Java內存結構描述的是JVM對內存的邏輯劃分，我們在學習垃圾回收和JVM優化的時候會關心JVM內存結構。而本節所講的JMM，實際上是一種規范。它描述了Java程序的運行行為，包括多線程操作對共享內存讀取時，所能讀取到的值應該遵守的規則。 ## 1\. JMM的必要性 隨著CPU的不斷發展，CPU的性能越來越強大，但受迫于頻率提升的困難，現代CPU架構開始向多核發展。而作為軟件開發人員為了充分使用CPU的性能，越來越多的開發者會選擇多線程程序開發。CPU在計算時會做一些優化，這些優化對于單線程程序來說是沒有問題的，但對多線程程序則不是那么的友好。 計算機在運行時，絕大多數時間都會把對象信息保存在內存中。但是在此期間，編譯器、處理器或者緩存都可能會把變量從分配的內存中取出處理再放回。比如我們在while循環中判斷flag是否為true來執行一段特定的邏輯，那么編譯器為了優化可能會選擇把flag值取到緩存中。此時主存中的flag值可能會被其它線程所改變，但是此線程是無法感知的。直到某個特定的時機觸發此線程從主存中刷新flag值。所有這些優化都是為了程序有更好的性能。在單線程的程序中，這種優化對于用戶來講是毫無感知的，不過多線程的程序中，這種優化有些時候會造成難以預料的結果。 JMM允許編譯器和緩存保持對數據操作順序優化的自由度。除非程序使用Synchronized或者volatile顯式的告訴處理器需要確保可見性。這意味著如果你沒有進行同步，那么多線程程序對于數據的操作，將會呈現不同的順序。也就是前面一節講的有序性，我們基于代碼順序對數據賦值順序的推論，在多線程程序中可能會不成立。 在JMM之前，C和C++并沒有顯式的內存模型。C語言的內存模型繼承自執行程序的處理器。這意味著并發的C語言程序，在不同的處理器機構上可能會呈現不一樣的結果。但JMM使得Java程序能夠在任何JVM上表現出一樣的行為。當然，現在C和C++也有了內存模型。  ## 2\. JMM簡介 JMM為程序中的所有操作定義了一定的規則，叫做Happens-Before。無論兩個操作是否在同一個線程，如果要想保證操作A能看到操作B的結果，那么A、B之間一定要滿足Happens-Before關系。如果兩者間不滿足Hapen-Before關系，JVM可以對其任意重排序。 當多個線程同時讀寫同一個變量，但這些操作間又沒有滿足Happens-Before關系，那么這些線程對此變量存在數據競爭，整個程序將會陷入混亂之中。假如我們在操作共享變量時采用了同步，那么無論有多少線程，對此變量的操作都會呈現出串行一致性。從而使得多線程的操作順序遵守JMM約定。 ## 3\. Happens-Before規則 Happens-Before在多線程領域具有重大意義，它可以指導你如何開發多線程的程序，而不至于陷入混亂之中。你所開發的多線程程序，如果想對共享變量的操作符合你設想的順序，那么需要依照Happens-Before原則來開發。happens-before并不是指操作A先于操作B發生，而是指操作A的結果在什么情況下可以被后面操作B所獲取。下面我們就來看一下Happens-before原則。 1. 程序順序規則。如果程序中A操作在B操作之前，那么線程中A操作將在B操作前執行。 2. 上鎖原則。不同線程對同一個鎖的lock操作一定在unclock前。 3. volatile變量原則。對于volatile變量的寫操作會早于對其的讀操作。 4. 線程啟動原則。A線程中調用threadB.start()方法，那么threadB.start()方法會早于B線程中中的任何動作執行。 5. 傳遞規則。如果A早于B執行，B早于C執行，那么A一定早于C執行。 6. 線程中斷規則：線程interrupt()方法的一定早于檢測到線程的中斷信號。 7. 線程終結規則：如果線程A終結了，并且導致另外一個線程B中的ThreadA.join()方法取得返回，那么線程A中所有的操作都早于線程B在ThreadA.join()之后的動作發生。 8. 對象終結規則：一個對象初始化操作肯定先于它的finalize()方法。 我們只有充分理解了happens-before原則，才能在編寫多線程程序的時候，盡量避免數據的不一致性，讓多線程程序在必要的時候按照我們設計的次序執行。 ## 4\. 總結 JMM是程序執行順序的指導原則，通過JMM的約束，我們能夠設計出符合我們要求的多線程程序。其實不止多線程，單線程程序一樣受到JMM的約束。