02 | Java内存模型：看Java如何解决可见性和有序性问题
上一期我们讲到在并发场景中，因可见性、原子性、有序性导致的问题常常会违背我们的直觉，从而成为并发编程的 Bug 之源。这三者在编程领域属于共性问题，所有的编程语言都会遇到，Java 在诞生之初就支持多线程，自然也有针对这三者的技术方案，而且在编程语言领域处于领先地位。理解 Java 解决并发问题的解决方案，对于理解其他语言的解决方案有触类旁通的效果。
那我们就先来聊聊如何解决其中的可见性和有序性导致的问题，这也就引出来了今天的主角——Java 内存模型。
什么是Java内存模型
上篇文章已知，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、有序性最直接的方法就是禁用缓存和编译优化，这样虽然问题解决了，但是性能可能差强人意。
合理的方案应该是按需禁用缓存以及编译优化。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。具体说，这些方法包括volatile、synchronized和final三个关键字，以及七项Happens-Before规则。
使用volatile关键字
volatile最原始的意义就是禁用CPU缓存。例如，我们声明一个volatile变量 volatile int x = 0，它表达的是：告诉编译器，对这个变量的读写，不能使用CPU缓存，必须从内存中读取或者写入。如上篇中利用双重检索单例一下，可以使用volatile static Singleton instance 解决instance的可见性和有序性问题。
Happens-Before规则
Happens-Before规则所表达的意思是：前面一个操作的结果对后续操作都是可见的。Happens-Before规则保证了线程之间的心灵感应，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循Happens-Before规则。Happens-Before规则是Java内存模型里面最晦涩的内容，和程序员相关的规则一共如下六项，都是关于可见性的。
// 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？}}}
1. 程序的顺序性规则
程序的顺序性规则是指在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作可见于后续的任意操作。如上带吗，按照程序的顺序， x = 42 Happens-Before可见与v = true，这就是规则1的内容：程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的。
2. volatile变量规则
这条规则是指对一个volatile变量的写操作，Happens-Before可见于后续对这个volatile变量的读操作。乍一看，这个规则有点禁用缓存的意思，但看这个规则，的确是这样，但是如果关联规则3，就有点不一样了。
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-Before C
从图中，我们可以看到：
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
3.根据这个传递性的规则，x = 42 Happens-Before 读变量 v = true
总之，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，这就是1.5版本对volatile语义的增强，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。
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。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。
synchronized (this) { // 此处自动加锁// x 是共享变量, 初始值 =10if (this.x < 12) {this.x = 12;}} // 此处自动解锁
5. 线程start() 规则
这条是关于线程启动的，指的是主线程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。也就是如果线程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 子线程B中的任意操作。
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完后后（主线程A 中的join() 方法返回）,主线程能够看到子线程的操作。换句话说就是，如果在线程A 中，调用线程B 的join() 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。
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
总结
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上能看到A事件的发生。
思考
有一个共享变量abc，在一个线程里设置了abc 的值 abc = 3，思考一下，有哪些办法可以让其他线程能够看到 abc = 3?
保证共享变量的可见性，使用volatile关键字修饰。
使用synchronized关键字对 abc = 3 代码块解锁，由于 Happens-Before 管程锁的规则，使得后续的线程能够看到 abc 的值。
A 线程启动后，使用A.join() 方法来完成运行，后续线程启动，则一定能看到 abc = 3。
使用原子变量，如AtomicInteger。