Java可見性機制的原理

基本概念

1.可見性

當一個執行緒修改了共享變數時，另一個執行緒可以讀取到這個修改後的值。

2.記憶體屏障(Memory Barriers)

處理器的一組指令，用於實現對記憶體操作的順序限制。

3.緩衝行

CPU告訴快取中可以分配的最小儲存單位，處理器填寫快取行時，會載入整個快取行。

4.Lock前綴的指令

Lock前綴的指令在多核心處理器下會發生兩件事：

1)將目前處理器的快取行的資料聯想到系統記憶體。

2)這個寫回記憶體的操作會使其他CPU快取了該記憶體的位址的資料無效。

5.快取一致性協定

在多處理器下，為零保證各個處理器的快取是一致的，每個處理器都會透過嗅探在總線上傳播的資料來檢查自己快取的值是不是過期了。當處理器發現自己快取行對應的位址被修改，就會將目前處理器的快取行設定為無效狀態。當處理器對這個資料進行讀寫的時候，會重新把資料從記憶體讀取到處理器快取中。

6.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，只有噹噹前值等於舊值時，才可以將目前值設為新值，否則不設定。這是一個原子操作，由硬體保證。

7.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，只要不改變程式執行的結果(指的是單執行緒或正確同步的多執行緒環境下) ，那麼編譯器和處理器怎麼優化都可以。

Volatile

從上面的Lock前綴指令和快取一致性協定可以看出來，這就是volatile的實作原理了。

實際上，valatile變數被寫入時，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。

例如：final int i ;i在建構函式中被賦值之前，就會被初始化為預設的值：0.透過偵錯程式碼可以證明這一點。

為了保證final域的值不會在為初始化的情況下被訪問到，程式設計師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，就能確保任意執行緒看到的final域，包括基本型別和參考型，都是已經被正確地透過建構子初始化過了的。

一個會是正在被構造的物件逸出的例子：

public class FinalTest{ 
   final int i; 
   static FinalTest obj; 
  
   public FinalTest(){ 
   i  =1; 
   /** 
   *这里会使正在被构造的对象逸出，如果和上一句做了重排序，那么其他线程就可以通过obj访问到还为被初始化的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係，這兩個規則關係操作可以再一個執行緒內，也可以不再一個執行緒內。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關係的定義如下：

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關係，並不表示Java平台的具體實作必須按照happens-before關係指定的順序來執行。如果重排序之後的執行結果，與依照happens-before關係來執行的結果一致，那麼這種重新排序並不非法。

舉例來說，如果在程式執行順序上，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對共享變數的修改，需要在B執行時，對B可見。

happens-before規則

程式順序規則：一個執行緒中的每個操作，happens-before於該執行緒中的任意後續操作。

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。

volatile規則：對一個volatile域的寫，happens-before於任意後續對這個volatile域的讀。

傳遞性：如果Ahappens-before B，並且B happens-before C，那麼A happens-before C。

start()規則：如果執行緒A執行操作ThreadB.start()，那麼A執行緒的ThreadB.start()操作happens-before於執行緒B中的任意操作。

join()規則：如果執行緒A執行操作ThreadB.join()並成功返回，那麼執行緒B的任意操作happens-before於執行緒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