第3章，Java内存模型
并发编程模型的两个关键问题：
1、线程之间如何通信。
2、线程之间如何同步。
命令式编程中，线程之间的通信机制有两种：
1、共享内存。
2、消息传递。
Java的并发采用的是
JMM：Java内存模型，描述主内存与本地内存（线程持有的变量）之间的关系。
常见的内存处理器模型比JMM要弱。
JMM屏蔽了不同处理器内存模型的差异，他在不同的处理器平台之上为Java程序员呈现了一个一致的内存模型。
JMM是一个语言级的内存模型，处理器内存模型是一个硬件级的内存模型，顺序一致性内存模型是一个理论参考模型。
线程之间通信的机制：消息传递（显示通信）和共享内存（写读内存中的公共状态隐式通信）。
消息传递的同步是隐式进行的，共享内存的同步是显示进行的。
Java的并发采用的是共享内存的方式，同步是显示进行的，线程之间的通信是隐式进行的。
重排序
为了优化程序性能，编译器与处理器会对指令进行重排序。编译器与处理器不会对存在数据依赖的操作进行重排序。这种依赖仅针对在单处理器和单线程上执行的操作。在多处理器和多线程上执行的操作不被编译器和处理器考虑。
重排序分为三种类型：
1、编译器优化的重排序。
2、指令级并行的重排序。
3、内存系统的重排序。
第一步属于编辑器级别的重排序
第二步与第三步的重排序属于处理器级别的重排序。
JMM会限制一些编译器级别的重排序，通过插入内存屏障来限制处理器级别的重排序。
JMM属于语言级别的内存模型，通过禁止特定类型的编译器级别重排序以及处理器级别的重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。
as-if-serial
不管怎么重排序，单线程程序的执行结果不能改变。此原则不必担心重排序，也不必担心内存可见性问题。
happens-before
在JMM中，如果一个操作要对另一个操作可见，那么两个操作之间必须要存在happens-before关系，这种关系可以是在一个线程内，也可能在不同的线程之间。
happens-before是JMM中最重要的概念。
JMM的设计理念既要为程序员提供强的内存保证，又要放松对处理器和编译器的限制。
所以对于会改变结果的重排序，JMM要求处理器与编译器必须要限制。
对于不改变结果的重排序，JMM对处理器与编译器不做要求。
与程序员密切相关的happens-before规则有
1、程序顺序原则：一个线程中的每个操作的执行结果，happens-before于它后续的所有操作。
2、监视器锁原则：对一个锁的解锁，happens-before对这个锁的加锁。
3、volatile变量原则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。
4、传递性：如果Ahappens-before与B，且Bhappens-before于C，那么Ahappens-before于C。
5、A线程调用ThreadB.start，优先于ThreadB中的所有操作。
6、A线程调用ThreadB.join，此句滞后于ThreadB中的所有操作。
在不改变程序执行结果的前提下，尽可能提供并行度。
JAVA内存模型的设计原理，处理器内存模型，顺序一致性内存模型的关系。
顺序一致性内存模型
顺序一致性内存模型是一个理论参考模型，处理器内存模型，JAVA内存模型都会以顺序一致性内存模型为参考。
顺序一致内存模型有两大特性：
1、一个线程中的所有操作必须按照程序的顺序来执行。
2、(不管程序是否同步)所有线程都只能看到一个单一的操作执行顺序。在顺序一致性内存模型中，每个操作都必须原子执行且立刻对所有线程可见。所有操作之前具有全序关系，同一时刻只能有一个线程操作他们的共享内存。
同步的了的
没有同步的
A和B看到的顺序都是B1-》A1-》A2-》B2-》A3-》B3，因为在顺序一致性内存模型中每个操作必须立即对任意线程可见。JMM中就没有这个保证，可能整体无序，也可能每个线程看到的顺序不一致。
数据通过总线在内存和处理器之间传递信息。同一时刻只能有一个处理器访问总线，总线的这种机制保证了所有处理器对内存的访问是串行的。这个特性确保了单个总线事务中的操作具有原子性。
写缓存区可以保证写内存的高效性，可以批量刷新，或者合并对内存的读写，但是写缓冲区仅仅对它所在的处理器可见。synchronized的内存语义。
volatile的内存语义
对volatile变量的单个读或者写，可以理解为使用同一个锁对这些单个读或者写操作做了同步。
volatile写和锁的释放有相同的内存语义，volatile的读和获取锁有相同的内存语义。
可见性：
1、锁的happens-before规则保证了释放锁和获得锁的两个线程之间的内存可见性，这意味着对一个volatile变量的读总是能看到任意线程对这个volatile变量的最后的写入。
原子性：
1、即使是64位long或者double变量，声明为volatile的，仍然可以保证其原子性。
2、如果是多个volatile操作或类似于volatile++这种符合操作，这些操作整体上不具有原子性。
volatile写-读建立的happens-before关系保证了：当A线程写了一个volatile变量后（实质上JMM会把线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中），B线程读同一个volatile变量（实质上JMM会把线程对应的本地内存置为无效，线程接下来将从主内存中读取共享变量）。A线程在写volatile变量之前所有可见的共享变量，在B线程读同一个volatile变量后，将立即变得对线程B可见。
对同一个volatile变量的写读，实质上是写线程通过主内存向读的进程发出消息。
当第一个操作为volatile读的时候，不允许重排序。
当后续操作为volatile的写的时候，不允许重排序。
volatile写后volatile读，不允许重排序。
为了保障volatile的内存语义：
在volatile的写之前插入了storestore内存屏障。
在volatile的写之后插入了storeload内存屏障。
在volatile的读操作之后插入了loadload内存屏障。
在volatile的读操作之后插入了loadstore内存屏障。
锁（synchronized）的内存语义与volatile相同
锁可以让临界区互斥执行，还可以让释放锁的线程向获取同一个锁的线程发送消息。
当线程释放锁时，JMM会把线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存中。
当线程获取锁时，JMM会把线程对应的本地内存置为无效。
底层依赖ReentrantLock（依赖Java同步器框架AbstractQuenedSynchronizer，简称AQS）实现，AOS使用一个整型的volatile变量（state）来维护同步状态。
ReentrantLock分为公平锁（通过volatile型变量state的内存语义实现，写线程内的所有共享变量将对另一个读volatile变量的线程可见）与非公平锁（CAS）。
公平锁与非公平锁的内存语义：
在释放锁的时候都会写一个volatile变量state。
公平锁在获取锁的第一个操作是读一个volatile型变量。
非公平锁获取锁是首先CAS更新一个volatile型变量state，此CAS操作同时具有volatile读和volatile写的内存语义。
Concurrent包，AQS，阻塞队列等的实现
因为CAS同时具有volatile内存读写的功能，所有线程之间的通信方式有以下四种：
1、A线程写volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。
2、A线程写volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
3、A线程用CAS更新这个volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
4、A线程用CAS更新这个volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。
final的内存语义
与锁和volatile的内存语义相比，final的内存语义更像是对普通变量的读和写。
对于final域，处理器和编译器需要遵守两个重排序规则：
1、在构造函数内，对一个final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。
2、初次读一个包含final域的对象的引用，与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序。
写final域的重排序规则：
1、禁止把final域的写重排序到构造函数之外。
2、编译器会在final域写之后，构造函数return之前，插入一个storestore屏障。
3、如果final域修饰的不是基本数据类型，是引用类型，那么读final域的写增加了如下约束，在构造函数内对一个final引用的对象的成员域的写入，与随后在构造函数外把这个改造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不可以重排序。
读final域的重排序规则：
1、在一个线程中，初次读对象引用与初次读该对象包含的final域，JMM禁止处理器重排序这两个操作。
2、处理器会在读final域的前面插入一个loadload屏障。
总结：
final域的内存语义为了保证在构造函数中对final域的赋值，可以对其他线程可见。
双重检查锁定与延迟初始化
双重检查锁定不是正确的，第四行检查时，发现不是null，但是instance并没有初始化完毕，因为第七行的初始化可以分为三步。
既然知道了问题，那么解决的办法：
1、阻止步骤2和步骤3进行重排序。要初始化的类对象，声明为volatile的。
2、步骤2和步骤3的重排序，使用下面的原则来实现，调用需要延迟初始化的类的静态成员，将立即开始初始化。
根据Java语言规范，在首次发生下列任何一种情况时，一个类或者接口类型T将被立即初始化。
1、T是一个类，而且一个T类型的实例被创建。
2、T是一个类，而且T中声明的一个静态方法被调用。
3、T中声明的一个静态字段被赋值。
4、T中声明的一个静态字段被使用，而且这个字段不是一个常量字段。
5、T是一个顶级类，而且一个断言语句嵌套在T内部被执行。
Java语言规范规定，对于每一个类或接口C，都有一个唯一的初始化锁LC与之对应。
总结延迟初始化
如果确实需要对实例字段使用线程安全的延迟初始化，请使用基于volatile的延迟初始化方案。如果需要对静态字段使用线程安全的延迟初始化，请使用基于类初始化的方案。
所有实例域，静态域，和数组元素，存储在堆内存中，是线程之间共享的，存在内存可见性问题，是共享变量
局部变量，方法定义参数，和异常处理参数，不会在线程之间共享，不存在内存可见性问题。
线程之间的通信由JMM控制。JMM决定一个线程对共享变量修改时，何时对其他线程可见。
共享变量存储在主内存中，每个线程有一个自己的私有本地内存。本地内存是一个抽象概念，并不真实存在，它是共享内存的副本。
数据竞争的定义
1、一个线程中在写一个变量。
2、另一个线程中在读同一个变量。
3、而且写和读没有通过同步来排序。
