Java可見性機制的原理

基本概念

• 可見性

當一個線程修改了共享變量時，另一個線程可以讀取到這個修改後的值。

• 內存屏障（Memory Barriers）

處理器的一組指令，用於實現對內存操作的順序限制。

• 緩沖行

CPU告訴緩存中可以分配的最小存儲單位，處理器填寫緩存行時，會加載整個緩存行。

• Lock前綴的指令

Lock前綴的指令在多核處理器下會發生兩件事情：

1）將當前處理器的緩存行的數據協會到系統內存。

2）這個寫回內存的操作會使其他CPU緩存了該內存的地址的數據無效。

• 緩存一致性協議

在多處理器下，為零保證各個處理器的緩存是一致的，每個處理器都會通過嗅探在總線上傳播的數據來檢查自己緩存的值是不是過期了。當處理器發現自己緩存行對應的地址被修改，就會將當前處理器的緩存行設置為無效狀態。當處理器對這個數據進行讀寫的時候，會重新把數據從內存中讀取到處理器緩存中。

• CAS

CompareAndSwap 比較並交換
CAS操作需要輸入兩個值，一個舊值（執行CAS操作前的值，期望值）和一個新值，只有當當前值等於舊值時，才可以將當前值設置為新值，否則不設置。這是一個原子操作，由硬件保證。

• 重排序規則

從根本上來所，JMM 對編譯器和處理器的重排序限制只有一條，只要不改變程序執行的結果（指的是單線程或者正確同步的多線程環境下），那麼編譯器和處理器怎麼優化都可以。

Volatile

從上面的Lock前綴指令和緩存一致性協議可以看出來，這就是volatile的實現原理了。
實際上，valatile變量被寫入時，確實加了一個Lock前綴的指定，以此來達到可見性的目的。

final

Final域只能被顯示地賦值一次，但是這並不代表final域不能被多次初始化。
比如：final int i ;i在構造函數中被賦值之前，就會被初始化為默認的值：0.通過調試代碼可以證明這一點。

為了保證final域的值不會在為初始化的情況下被訪問到，程序員只需要保證一點即可：即，在構造函數中，正在被構造的對象（this）沒有“逸出”，那麼不需要任何同步手段，就能保證任意線程看到的final域，包括基本類型和引用類型，都是已經被正確地通過構造函數初始化過了的。

一個會是正在被構造的對象逸出的例子：

public class FinalTest{
   final int i;
   static FinalTest obj;

   public FinalTest(){
   i  =1;
   /**
   *這裡會使正在被構造的對象逸出，如果和上一句做了重排序，那麼其他線程就可以通過obj訪問到還為被初始化的final域。
   **/
   obj = this; 
  }
}

Happens-Before規則

happens-before的含義

Happen-Before規則用來描述兩個操作之間的順序關系，這兩個操作可以再一個線程內，也可以不再一個線程內。此順序並不嚴格意味著執行時間上的順序，而是至前一個操作的結果要對後一個操作可見。

Happens-Before關系的定義如下：

• 如果一個happens-before另一個操作，那麼第一個操作的執行結果對第二個操作可見，而且第一個操作的執行順序排在第二個操作之前
• 兩個操作之間存在happens-before關系，並不意味著Java平台的具體實現必須按照happens-before關系指定的順序來執行。如果重排序之後的執行結果，與按照happens-before關系來執行的結果一致，那麼這種重排序並不非法。

舉例來說，如果在程序執行順序上，A先於B，並且A修改了共享變量，而B正好使用該共享變量，那麼A需要happen-before B，再直白一點，就是A對共享變量的修改，需要在B執行時，對B可見。

happens-before規則

1. 程序順序規則：一個線程中的每個操作，happens-before於該線程中的任意後續操作。
2. 監視器鎖規則：對一個鎖的解鎖，happens-before於隨後對這個鎖的加鎖。
3. volatile規則：對一個volatile域的寫，happens-before於任意後續對這個volatile域的讀。
4. 傳遞性：如果Ahappens-before B，並且B happens-before C，那麼A happens-before C。
5. start()規則：如果線程A執行操作ThreadB.start()，那麼A線程的ThreadB.start()操作happens-before於線程B中的任意操作。
6. join()規則：如果線程A執行操作ThreadB.join()並成功返回，那麼線程B的任意操作happens-before於線程A從ThreadB.join()操作成功返回。

對所有這些規則的說明：Ahappens-before B並不意味著A一定要先在B之前發生，而是說，如果A已經發生在了B前面，那麼A的操作結果一定要對B可見