編譯器和處理器重排規則

lock（鎖定）：作用於主內存的變數，把一個變數標識為一條線程獨占狀態。

unlock（解鎖）：作用於主內存變數，把一個處於鎖定狀態的變數釋放出來，釋放後的變數才可以被其他線程鎖定。

read（讀取）：作用於主內存變數，把一個變數值從主內存傳輸到線程的工作內存中，以便隨後的load動作使用

load（載入）：作用於工作內存的變數，它把read操作從主內存中得到的變數值放入工作內存的變數副本中。

use（使用）：作用於工作內存的變數，把工作內存中的一個變數值傳遞給執行引擎，每當虛擬機遇到一個需要使用變數的值的位元組碼指令時將會執行這個操作。

assign（賦值）：作用於工作內存的變數，它把一個從執行引擎接收到的值賦值給工作內存的變數，每當虛擬機遇到一個給變數賦值的位元組碼指令時執行這個操作。

store（存儲）：作用於工作內存的變數，把工作內存中的一個變數的值傳送到主內存中，以便隨後的write的操作。

write（寫入）：作用於主內存的變數，它把store操作從工作內存中一個變數的值傳送到主內存的變數中。lock，unlock需要代碼中用鎖實現。

這8個步驟必須符合下述規則：

不允許read和load，store和write操作之一單獨出現。

不允許一個線程丟棄它最近的assign操作。即變數在工作內存中改變了賬號必須把變化同步回主內存。

一個新的變數只允許在主內存中誕生，不允許工作內存直接使用未初始化的變數。

一個變數同一時刻只允許一條線程進行lock操作，但同一線程可以lock多次，lock多次之後必須執行同樣次數的unlock操作。

如果對一個變數進行lock操作，那麼將會清空工作內存中此變數的值。

不允許對未lock的變數進行unlock操作，也不允許unlock一個被其它線程lock的變數。

如果一個變數執行unlock操作，必須先把此變數同步回主內存中。

在執行程序時，為了提高性能，編譯器和處理器常常會對指令做重排序。從Java源代碼到最終實際執行的指令序列，會分別經歷下面3種重排序：

編譯器優化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執行順序。

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-LevelParallelism，ILP）來將多條指令重疊執行。如果不存在數據依賴性，處理器可以改變語句對應機器指令的執行順序。

內存系統的重排序。由於處理器使用緩存和讀/寫緩沖區，這使得載入和存儲操作看上去可能是在亂序執行。

如果兩個操作訪問同一個變數，其中一個為寫操作，此時這兩個操作之間存在數據依賴性。編譯器和處理器不會改變存在數據依賴性關系的兩個操作的執行順序，即不會重排序。不管怎麼重排序，單線程下的執行結果不能被改變，編譯器、runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語義。

通過插入內存屏障（MemoryBarrier）可以阻止特定類型的指令重排。JMM將內存屏障劃分為四種：

Java中volatile關鍵字的實現就是通過內存屏障來完成的。

從jdk5開始，java使用新的JSR-133內存模型，基於happens-before的概念來闡述操作之間的內存可見性。

在JMM中，如果一個操作的執行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關系，這個的兩個操作既可以在同一個線程，也可以在不同的兩個線程中。

與程序員密切相關的happens-before規則如下：

程序順序規則：一個線程中的每個操作，happens-before於該線程中任意的後續操作。

監視器鎖規則：對一個鎖的解鎖操作，happens-before於隨後對這個鎖的加鎖操作。

volatile域規則：對一個volatile域的寫操作，happens-before於任意線程後續對這個volatile域的讀。

傳遞性規則：如果Ahappens-beforeB，且Bhappens-beforeC，那麼Ahappens-beforeC。

注意：兩個操作之間具有happens-before關系，並不意味前一個操作必須要在後一個操作之前執行！僅僅要求前一個操作的執行結果，對於後一個操作是可見的，且前一個操作按順序排在後一個操作之前。