[Java-juc] Java 内存模型

说一下你对 Java 内存模型的理解？

Java 内存模型就是定义主内存（共享内存）和工作内存（本地内存）进行交互的规则，
用来多线程环境下共享变量的内存可见性。

为什么线程要用自己的内存？

• 使用工作内存是为了提高性能，减少对主内存的频繁访问，
• 并且可以避免多个线程同时修改共享变量导致冲突。

i++是原子操作吗？

不是。

1. 会先从内存中读取 i 的值。
2. 然后对 i 的值进行加 1 操作。
3. 最后将新的值写回内存。

说说你对原子性、可见性、有序性的理解？

总结

原子性保证操作不可中断，可见性保证变量修改后线程能看到最新值，有序性保证代码执行顺序一致，可以通过 volatile、synchronized 和 CAS 机制来保证这些特性。

• 原子性：操作不可分割，要么全部执行成功，要么完全不执行。（需要使用锁或原子类保证原子性）
• 可见性：一个线程对共享变量修改，能够及时被其他线程看见。（需要使用volatile保证可见性）
• 有序性：指程序是否按照代码的顺序执行。

说说什么是指令重排？

指令重排是编译器或处理器为了提高程序的性能，对指令执行顺序进行重新排列的优化技术。

• 指令重排可能导致多线程环境下的可见性问题和有序性问题。
• 有三种重排序：
  • 编译器重排序：在不改变单线程运行结果的前提下，编译器可以优化语句的执行顺序。
  • 并行指令重排序：处理器将多条指令并行执行时，在不存在数据依赖的情况下，处理器可以改变程序的执行顺序。
  • 内存系统重排序：处理器使用缓存和读写缓冲区时，使得数据加载、存储操作看起来是乱序执行的。

数据依赖

数据依赖是指，如果两个操作同时访问同一个共享变量，如果这两个操作有一个写操作，那么这两个操作之间就存在数据依赖。

• 具有依赖性的操作是不会被重排的。

as-if-serial 了解吗？

不管如何重排序，单线程程序执行结果不会改变。

happens-before 了解吗？

• 字面含义：A 发生在 B 之前。
  Happens-Before 是 Java内存模型定义的规则，用来保证两个操作之间的可见性。

happens-before 六大规则

• 程序顺序规则：单线程内部，代码按照顺序执行。
• 监视器锁规则：前一个线程释放锁操作发生在后一个线程获取锁之前。
• volatile 变量规则：对一个 volatile 修饰的字段写操作，发生在后续对这个字段的读操作之前。
• 传递性规则：如果A发生在B之前，B发生在C之前，那么A发生在C之前。
• 线程启动规则：如果线程A执行线程B的start()，那么线程A的B.start()happens-before 线程B的任何操作。
• 线程终止规则：如果线程A执行线程B的join()，那么 join()之后的代码，必须等线程B执行完毕后才能执行。

内存屏障是什么，有什么用？

什么内存屏障？

内存屏障是一种屏障指令，一种用于控制 CPU 和编译器对内存操作重排序的机制。

内存屏障的功能：

1. 阻止屏障两边的指令重排序。
2. 写数据时加屏障，强制把缓冲区的数据刷回主内存中。
3. 读数据时加屏障，强制让工作内存的缓存数据失效，重新从主内存中获取新的数据。

基本分类

1. 读屏障 Load Barrier：在读指令之前插入读屏障，强制让工作内存中缓存失效，重新从主内存中获取最新数据。
2. 写屏障 Store Barrier：在写指令之后插入写屏障，强制将工作内存的数据刷回主内存中。

重排序和内存屏障的关系

重排序可能给程序带来问题，因此我们需要告诉JVM这里不需要排序。

JVM 本身为了保证可见性：

1. 对于编译器的重排序，JMM会根据重排序的规则，禁止特定类型编译器的重排序。
2. 对于处理器的重排序，Java编译器会在适当位置插入内存屏障指令，来禁止特定类型的处理器重排序。

JMM的内存屏障

• LoadLoad Barrier：保证前面的读操作完成之后，后面的读操作才能执行。
• LoadStore Barrier：保证前面的读操作完成之后，后面的写操作才能执行。
• StoreStore Barrier：保证前面的写操作完成之后，后面的写操作才能执行。
• StoreLoad Barrier：保证前面的写操作完成之后，后面的读操作才能执行。

volatile 了解吗？重点

volatile用于修饰变量，实际上就是一种轻量级的同步机制。

volatile修饰的变量，具有以下特点：

1. 保证其可见性
2. 禁止指令重排
3. 不保证其原子性

volatile 怎么保证可见性的？

• 对 volatile 修饰的变量进行读操作时，会在这个读操作后面插入LoadLoad Barrier和LoadStore Barrier，强制让工作内存的缓存失效，重新从主内存中获取最新数据。
• 对 volatile 修饰的变量进行写操作时，会在这个写入操作前面插入StoreStore Barrier；后面插入StoreLoad Barrier，强制将工作内存的数据刷回主内存中。

volatile 怎么保证有序性的？

JVM 会在 volatile 变量的读写操作前后插入内存屏障，禁止特定类型的重排序，来保证有序性。

单线程下不加volatile和加volatile性能开销有很大区别吗？

单线程下，volatile 的性能开销相对较小，因为没有线程竞争和上下文切换的开销。主要的影响来自于内存屏障。

volatile 和 synchronized 的区别？

• volatile 只能修饰变量，synchronized 可以修饰方法或代码块。
• volatile 只能保证可见性和有序性，不保证原子性；synchronized 可以保证可见性、有序性和原子性。

volatile 加在基本类型和对象上的区别？

• volatile 修饰基本类型变量时，保证该变量的可见性和有序性；
• 修饰对象时，保证该对象引用的可见性和有序性，对象内部是无法保证的。