[Java并发-2]Java如何解决可见性问题的

之前我们说了：
1，可见性
2，原子性
3，有序性
3个并发BUG的之源，这三个也是编程领域的共性问题。Java诞生之处就支持多线程，所以自然有解决这些问题的办法，而且在编程语言领域处于领先地位。理解Java解决并发问题的方案，对于其他语言的解决方案也有触类旁通的效果。

什么是Java内存模型

我们已经知道了，导致可见性的原因是缓存，导致有序性的问题是编译优化。那解决问题的办法就是直接禁用 缓存和编译优化。但是直接不去使用这些是不行了，性能无法提升。
所以合理的方案是 按需禁用缓存和编译优化。如何做到“按需禁用”，只有编写代码的程序员自己知道，所以程序需要给程序员按需禁用和编译优化的方法才行。

Java的内存模型如果站在程序员的角度，可以理解为，Java内存模型规范了JVM如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。具体来说，这些方法包括volatile,synchronized和final三个关键字段。
以及六项 Happens-Before 规则。

使用volatile的困惑

volatile 关键字并不是 Java 语言特有的，C语言也有，它的原始意义就是禁用CPU缓存。

例如，我们声明一个volatile变量 ，volatile int x = 0，它表达的是：告诉编译器，对这个变量的读写，不能使用 CPU 缓存，必须从内存中读取或者写入。看起来语义很明确，实际情况比较困惑。

看下以下代码：

class VolatileExample {

  int x = 0;

  volatile boolean v = false;

  public void writer() {

    x = 42;

    v = true;

  }

  public void reader() {

    if (v == true) {

      // 这里 x 会是多少呢？

    }

  }

}

直觉上看，这里的X应该是42，那实际应该是多少呢？这个要看Java的版本，如果在低于 1.5 版本上运行，x 可能是42，也有可能是 0；如果在 1.5 以上的版本上运行，x 就是等于 42。
分析一下，为什么 1.5 以前的版本会出现 x = 0 的情况呢？因为变量 x 可能被 CPU 缓存而导致可见性问题。这个问题在 1.5 版本已经被圆满解决了。Java 内存模型在 1.5 版本对 volatile 语义进行了增强。怎么增强的呢？答案是一项 Happens-Before 规则。

Happens-Before 规则

这里直接给出定义：

Happens-Before ：前面一个操作的结果对后续操作是可见的。

再进一步的讲：Happens-Before 约束了编译器的优化行为，虽允许编译器优化，但是要求编译器优化后一定遵守 Happens-Before 规则。

看一看Java内存模型定义了哪些重要的Happens-Before规则

1，程序的顺序性规则
这条规则是指在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作 Happens-Before 于后续的任意操作。比如刚才那段示例代码，按照程序的顺序，第 6 行代码 x = 42; Happens-Before 于第 7 行代码 v = true;，这就是规则 1 的内容，也比较符合单线程里面的思维：程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的。

2，volatile 变量规则

这条规则是指对一个 volatile 变量的写操作，Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作。

这个就有点费解了，对一个 volatile 变量的写操作相对于后续对这个 volatile 变量的读操作可见。

3，传递性

这条规则是指如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。

我们将规则 3 的传递性应用到我们的例子中，可以看下面这幅图：

class VolatileExample {

  int x = 0;

  volatile boolean v = false;

  public void writer() {

    x = 42;

    v = true;

  }

  public void reader() {

    if (v == true) {

      // 这里 x 会是多少呢？

    }

  }

}

从图中可以看到
1，x=42 Happens-Before 写 v=true，这是规则1
2，读v=true Happens-Before 读变量X，这是规则2

结合传递性读定义，即：

线程A的 x=42 Happens-Before 线程B的 读变量X

java 1.5对 volatile 的增强就是这个，根据这个定义就保证了之前的 x=42的成立

4，管程中锁的规则

这条规则是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。

管程 (英语：Moniters，也称为监视器) 是一种程序结构，结构内的多个子程序（对象或模块）形成的多个工作线程互斥访问共享资源。

管程 在 Java 中指的就是 synchronized，synchronized 是 Java 里对管程的实现。
管程中的锁在 Java 里是隐式实现的，例如下面的代码，在进入同步块之前，会自动加锁，而在代码块执行完会自动释放锁，加锁以及释放锁都是编译器帮我们实现的。

synchronized (this) { // 此处自动加锁

  // x 是共享变量, 初始值 =10

  if (this.x < 12) {

    this.x = 12; 

  }  

} // 此处自动解锁

所以结合规则定义，可以这样理解：假设 x 的初始值是 10，线程 A 执行完代码块后 x 的值会变成 12（执行完自动释放锁），线程 B 进入代码块时，能够看到线程 A 对 x 的写操作，也就是线程 B 能够看到 x==12。这个也是符合我们直觉的，应该不难理解。

5，线程 start() 规则

这条是关于线程启动的。它是指主线程 A 启动子线程 B 后，子线程 B 能够看到主线程在启动子线程 B 前的操作。

换句话说就是，如果线程 A 调用线程 B 的 start() 方法（即在线程 A 中启动线程 B），那么该 start() 操作 Happens-Before 于线程 B 中的任意操作。具体可参考下面示例代码。

Thread B = new Thread(()->{

  // 主线程调用 B.start() 之前

  // 所有对共享变量的修改，此处皆可见

  // 此例中，var==77

});

// 此处对共享变量 var 修改

var = 77;

// 主线程启动子线程

B.start();

6，线程 join() 规则

这条是关于线程等待的。它是指主线程 A 等待子线程 B 完成（主线程 A 通过调用子线程 B 的 join() 方法实现），当子线程 B 完成后（主线程 A 中 join() 方法返回），主线程能够“看到”子线程的操作。这里的“看到”，指的是子线程对共享变量的操作。

换句话说就是，如果在线程 A 中，调用线程 B 的 join() 并成功返回，那么线程 B 中的任意操作 Happens-Before 于该 join() 操作的返回。具体可参考下面示例代码。

Thread B = new Thread(()->{

  // 此处对共享变量 var 修改

  var = 66;

});

// 例如此处对共享变量修改，

// 则这个修改结果对线程 B 可见

// 主线程启动子线程

B.start();

B.join()

// 子线程所有对共享变量的修改

// 在主线程调用 B.join() 之后皆可见

// 此例中，var==66

过度优化的 final

前面我们讲 volatile 为的是禁用缓存以及编译优化，那 final关键字 就是告诉编译器优化得更好一点。

final 修饰变量时，初衷是告诉编译器：这个变量生而不变，可以尽量优化。但是Java编译器在 1.5 以前的版本导致优化错误了。

构造函数的错误重排导致线程可能看到 final 变量的值会变化。详细的案例可以参考：http://www.cs.umd.edu/~pugh/j...

当然了，在 1.5 以后 Java 内存模型对 final 类型变量的重排进行了约束。现在只要我们提供正确构造函数没有“逸出”，就不会出问题了。

在下面例子中，在构造函数里面将 this 赋值给了全局变量 global.obj，这就是“逸出”，线程通过 global.obj 读取 x 是有可能读到 0 的。因此我们一定要避免“逸出”。

final int x;

// 错误的构造函数

public FinalFieldExample() { 

  x = 3;

  y = 4;

  // 此处就是讲 this 逸出，

  global.obj = this;

}

总结

Java 的内存模型是并发编程领域的一次重要创新，Happens-Before 的语义是一种因果关系。在现实世界里，如果 A 事件是导致 B 事件的起因，那么 A 事件一定是先于（Happens-Before）B 事件发生的，这个就是 Happens-Before 语义的现实理解。

在 Java 语言里面，Happens-Before 的语义本质上是一种可见性，A Happens-Before B 意味着 A 事件对 B 事件来说是可见的，无论 A 事件和 B 事件是否发生在同一个线程里。例如 A 事件发生在线程 1 上，B 事件发生在线程 2 上，Happens-Before 规则保证线程 2 上也能看到 A 事件的发生。

Java 内存模型主要分为两部分，一部分面向你我这种编写并发程序的应用开发人员，另一部分是面向 JVM 的实现人员的，我们可以重点关注前者，也就是和编写并发程序相关的部分，这部分内容的核心就是 Happens-Before 规则。

参考：
Java内存模型