一、併發程式設計模型的兩個關鍵問題

1. 執行緒之間如何通訊

通訊是指執行緒之間以何種機制來交換資訊。

在指令式程式設計中，執行緒之間的通訊機制有兩種：共享記憶體和訊息傳遞。

在共享記憶體的併發模型裡，執行緒之間共享程式的公共狀態，通過寫-讀記憶體中的公共狀態進行隱式通訊。在訊息傳遞的併發模型裡，執行緒之間沒有公共狀態，執行緒之間必須通過傳送訊息來顯式進行通訊。

2. 執行緒之間如何同步

同步是指程式中用於控制不同執行緒間操作發生相對順序的機制。

在共享記憶體併發模型裡，同步是顯式進行的。程式設計師必須顯式指定某個方法或某段程式碼需要線上程之間互斥執行。在訊息傳遞的併發模型裡，由於訊息的傳送必須在訊息的接收之前，因此同步是隱式進行的。

Java的併發採用的是共享記憶體模型，Java執行緒之間的通訊總是隱式進行，整個通訊過程對程式設計師完全透明。

二、Java 記憶體模型的抽象結構

從抽象的角度來看，JMM定義了執行緒和主記憶體之間的抽象關係：執行緒之間的共享變數儲存在主記憶體（Main Memory）中，每個執行緒都有一個私有的本地記憶體（Local Memory），本地記憶體中儲存了該執行緒以讀/寫共享變數的副本。

三、從原始碼到指令序列的重排序

在執行程式時，為了提高效能，編譯器和處理器常常會對指令做重排序。重排序分3種類型：

• 1）編譯器優化的重排序。編譯器在不改變單執行緒程式語義的前提下，可以重新安排語句的執行順序。

• 2）指令級並行的重排序。現代處理器採用了指令級並行技術（Instruction-Level
  Parallelism，ILP）來將多條指令重疊執行。如果不存在資料依賴性，處理器可以改變語句對應
  機器指令的執行順序。

• 3）記憶體系統的重排序。由於處理器使用快取和讀/寫緩衝區，這使得載入和儲存操作看上去可能是在亂序執行。

graph LR
原始碼-->1:編譯器優化重排序-->2:指令級重排序-->3:記憶體系統重排序-->最終執行的指令序列

上述的1屬於編譯器重排序，2和3屬於處理器重排序。這些重排序可能會導致多執行緒程式出現記憶體可見性問題。

對於編譯器，JMM的編譯器重排序規則會禁止特定型別的編譯器重排序（不是所有的編譯器重排序都要禁止）。對於處理器重排序，JMM的處理器重排序規則會要求Java編譯器在生成指令序列時，插入特定型別的記憶體屏障（Memory Barriers，Intel稱之為Memory Fence）指令，通過記憶體屏障指令來禁止特定型別的處理器重排序。

JMM屬於語言級的記憶體模型，它確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺之上，通過禁止特定型別的編譯器重排序和處理器重排序，為程式設計師提供一致的記憶體可見性保證。

四、併發程式設計模型的分類

現代的處理器使用寫緩衝區臨時儲存向記憶體寫入的資料。

由於寫緩衝區僅對自己的處理器可見，它會導致處理器執行記憶體操作的順序可能會與記憶體實際的操作執行順序不一致。由於現代的處理器都會使用寫緩衝區，因此現代的處理器都會允許對寫-讀操作進行重排序。

常見處理器允許的重排序型別的列表：

為了保證記憶體可見性，Java編譯器在生成指令序列的適當位置會插入記憶體屏障指令來禁止特定型別的處理器重排序。

• LoadLoad Barriers: 確保Load1資料的裝載先於Load2及後續裝載指令的裝載。

• StoreStore Barriers: 確保Store1資料對其他處理器可見（重新整理到記憶體）先於Store2及所有後續儲存指令的儲存。

• LoadStore Barriers: 確保Load1資料裝載先於Store2及所有後續的儲存指令重新整理到記憶體。

• StoreLoad Barriers: 確保Store1資料對其他處理器可見先於Load2及所有後續裝載指令的裝載。會使該屏障之前的所有記憶體訪問指令（儲存和裝載指令）完成之後，才執行該屏障之後的記憶體訪問指令。

StoreLoad Barriers是一個“全能型”的屏障，它同時具有其他3個屏障的效果。現代的多處理器大多支援該屏障（其他型別的屏障不一定被所有處理器支援）。執行該屏障開銷會很昂貴，因為當前處理器通常要把寫緩衝區中的資料全部重新整理到記憶體中。

五、happens-before簡介

JSR-133 使用 happens-before 的概念來闡述操作之間的記憶體可見性。在JMM中，如果一個操作執行的結果需要對另一個操作可見，那麼這兩個操作之間必須要存在 happens-before 關係。這裡提到的兩個操作既可以是在一個執行緒之內，也可以是在不同執行緒之間。

與程式設計師密切相關的happens-before規則如下：

• 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變數規則：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A happens-before B，且B happens-before C，那麼A happens-before C。

兩個操作之間具有happens-before關係，並不意味著前一個操作必須要在後一個操作之前執行！happens-before僅僅要求前一個操作（執行的結果）對後一個操作可見，且前一個操作按順序排在第二個操作之前。

本文來自對《Java併發程式設計的藝術》一書總結。