Java 内存模型这个概念，在职场的很多面试中都会考核到，是一个热门的考点，也是一个人并发水平的具体体现。原因是当并发程序出现问题时，需要一行一行地检查代码，这个时候，只有掌握java内存模型，才能慧眼如炬地发现问题。
什么是Java内存模型？
导致可见性的原因是缓存，导致有序性的原因是编译优化，那解决可见性、有序性最直接的办法就是禁用缓存和编译优化，但是这样问题虽然解决了，我们程序的性能可就堪忧了。
合理的方案应该是按需禁用缓存以及编译优化。所谓“按需禁用”其实就是指按照程序员的要求来禁用。所以，为了解决可见性和有序性问题，只需要提供给程序员按需禁用缓存和编译优化的方法即可。
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、synchronize和final三个关键字，以及六项Happens-Before规则，这也是本期的重点内容。
使用volatile的困惑
volatile 关键字并不是 Java 语言的特产，古老的C 语言里也有，它最原始的意义就是禁用CPU缓存。
例如下面的示例代码，假设线程A执行writer()方法，按照volatile语义，会把变量“v=true”写入内存；假设线程B执行reader()方法，同样按照volatile语义，线程B会从内存中读取变量v，如果线程B看到“v==true”时，那么线程B 看到的变量x是多少呢？
直觉上看应该是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。
// 以下代码来源于【参考 1】
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？
}
}
}
分析一下，为什么 1.5 以前的版本会出现 x = 0 的情况呢？我相信你一定想到了，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。Ja...va 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
前面一个操作的结果对后续操作是可见的。就像有心灵感应的两个人，虽然远隔千里，一个人心之所想，另一个人都看得到。
Happens-Before 规则就是要保证线程之间的这种“心灵感应”。所以比较正式的说法是：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。
Happens-Before 规则应该是Java内存模型里面最晦涩的内容了，和程序员相关的规则一共有如下六项，都是关于可见性的。
恰好前面示例代码涉及到这六项规则中的前三项，为便于你理解，我也会分析上面的示例代码，来看看规则1、2和3到底该如何理解。至于其他三项，我也会结合其他例子作以说明。
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。这还是比较容易理解的，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，页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。
// 以下代码来源于【参考 1】
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？
}
}
}
2. volatile 变量规则
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。
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，这怎么看都是禁用缓存的意思啊，貌似和1.5版本以前的语义没有变化啊？如果单看这个规则，的确是这样，但是我们关联一下规则3，就有点不一样的感觉了。
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-Befores C。
示例代码中的传递性规则
从图中，我们可以看出：
1.“x=42” Happens-Before 写变量“v=true”，这是规则1的内容；
2.写变量“v=true” Happens-Before 读变量“v=true”,这是规则2的内容。
再根据这个传递性规则，我们得到结果：“x=42” Happens-Before 读变量“v=true”。这意味着什么呢？
如果线程B读到了“v=true”，那么线程A设置的“x=42”对线程B是可见的。也就是说，线程B能看到“x==42”，有没有一种恍然大悟的感觉？这就是1.5版本对volatile语义的增强，这个增强意义重大，1.5版本的并发工具包（java.util.concurrent）就是靠volatile语义来搞定可见性的，这个在后面的内容中会详细介绍。
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。
要理解这个规则，就首先要了解到“管程指的是什么”。管程是一种通用的同步原语，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，而在代码执行完会自动释放锁，加锁以及释放锁都是在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4——管程中锁的规则，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
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。当然所谓的“看到”，指的就是对共享变量的操作。
换句话说就是，如果在线程A中，调用线程B的join()方法并成功返回，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
7. 线程中断规则
对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。
8.对象终结规则
一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的finalize()方法的开始。
被我们忽视的final
前面我们讲volatile为的是禁用缓存以及编译优化，我们再从另外一个方面来看，有没有办法告诉编译器优化的更好一点呢？就是final关键字。
final修饰变量时，初衷是告诉编译器：这个变量生而不变，可以随便优化。java编译器在1.5以前的版本的确优化的很努力了，以至于都优化错了。
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。
“逸出”有点抽象，我们还是举个例子吧，在下面的例子中，在构造函数里面将this赋值给了全局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”。
// 以下代码来源于【参考 1】
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。java内存模型里面，最晦涩的部分就是Happens-Before规则了，Happens-Before规则最初是在一篇叫做Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System的论文中提出来的，在这篇论文中，Happens-Before的语义是一种因果关系。在现实世界中，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。
所以，个人对于Java内存模型总结起来就是：
1. 为什么定义Java内存模型？现代计算机体系大部是采用的对称多处理器的体系架构。每个处理器均有独立的寄存器组和缓存，多个处理器可同时执行同一进程中的不同线程，这里称为处理器的乱序执行。在Java中，不同的线程可能访问同一个共享或共享变量。如果任由编译器或处理器对这些访问进行优化的话，很有可能出现无法想象的问题，这里称为编译器的重排序。除了处理器的乱序执行、编译器的重排序，还有内存系统的重排序。因此Java语言规范引入了Java内存模型，通过定义多项规则对编译器和处理器进行限制，主要是针对可见性和有序性。
2. 三个基本原则：原子性、可见性、有序性。
3. Java内存模型涉及的几个关键词：锁、volatile字段、final修饰符与对象的安全发布。其中：第一是锁，锁操作是具备happens-before关系的，解锁操作happens-before之后对同一把锁的加锁操作。实际上，在解锁的时候，JVM需要强制刷新缓存，使得当前线程所修改的内存对其他线程可见。第二是volatile字段，volatile字段可以看成是一种不保证原子性的同步但保证可见性的特性，其性能往往是优于锁操作的。但是，频繁地访问 volatile字段也会出现因为不断地强制刷新缓存而影响程序的性能的问题。第三是final修饰符，final修饰的实例字段则是涉及到新建对象的发布问题。当一个对象包含final修饰的实例字段时，其他线程能够看到已经初始化的final实例字段，这是安全的。
4. Happens-Before的7个规则：
(1).程序次序规则：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。
(2).管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁，而"后面"是指时间上的先后顺序。
(3).volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的"后面"同样是指时间上的先后顺序。
(4).线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
(5).线程终止规则：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join（）方法结束、Thread.isAlive（）的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
(6).线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。
(7).对象终结规则：一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的finalize()方法的开始。
5. Happens-Before的1个特性：传递性。
6. Java内存模型底层怎么实现的？主要是通过内存屏障(memory barrier)禁止重排序的，即时编译器根据具体的底层体系架构，将这些内存屏障替换成具体的 CPU 指令。对于编译器而言，内存屏障将限制它所能做的重排序优化。而对于处理器而言，内存屏障将会导致缓存的刷新操作。比如，对于volatile，编译器将在volatile字段的读写操作前后各插入一些内存屏障。
课后思考
有一个共享变量 abc，在一个线程里设置了 abc 的值 abc=3，你思考一下，有哪些办法可以让其他线程能够看到abc==3？
我思考下认为有三种方式可以实现:
1.声明共享变量abc，并使用volatile关键字修饰abc
2.声明共享变量abc，在synchronized关键字对abc的赋值代码块加锁，由于Happen-before管程锁的规则，可以使得后续的线程可以看到abc的值。
3.A线程启动后，使用A.JOIN()方法来完成运行，后续线程再启动，则一定可以看到abc==3