Java内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。在此之前，主流程序语言（如C/C++)直接使用物理硬件（或者说操作系统的内存模型），因此，会由于不同平台上内存模型的差异，导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发访问却经常出错。因此经常需要针对不同平台来编写程序。

定义Java内存模型并非一件容易得事情，这个模型必须定义的足够严谨，才能让Java的并发操作不会产生歧义；但是，也必须足够宽松，使得虚拟机的视线有足够的空间去利用硬件的各种特性（寄存器、高速缓存等）来获取更好的执行速度。经过长时间的验证和修补，在JDK1.5发布后，Java的内存模型就已经成熟和完善起来了。

主内存与工作内存

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量（variable）与Java编程中的变量略有区别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包含局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不存在竞争问题。为了获得较好的执行效能，Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互，也没有限制即时编译器调整代码执行顺序这类特权。

Java内存模型规定了所有的变量都存在主内存中。每条线程可以有自己的工作内存（可与前面所讲的处理器高速缓存类比），线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下图所示：

这里所讲的主内存、工作内存与Java内存区域中的Java 堆、栈、方法区并不是同一层次的内存划分。如果两者一定要勉强对应起来，那从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应Java堆中对象的实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低的层次来说，主内存就是硬件的内存，而为了获取更好的运行速度，虚拟机及硬件系统可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中。

内存间交互操作

关于主内存和工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存，如何从工作内存同步回主内存之间的实现细节，Java 内存模型定义了以下八种操作来完成。

lock （锁）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
unlock（解锁）: 作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后load动作使用。
load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
write（写入）：作用于主内存，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入到主内存的变量中。

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要按照孙旭执行read、load操作，如果要把变量从工作内存同步到主内存，那就要按照顺序执行store、write操作。注意，Java内存模型只要求上述两个操作必须按照顺序执行，而没有保证必须是连续执行。

Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时必须满足如下规则：
不允许read和load、store和write操作单一出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起了写回但主内存不接受的情况出现。
不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存改变了之后必须把该变化写回主内存。
不允许一个线程无原因地（没发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，换句话说就是对一个变量实施use和store之前，必须先执行过了assign和load操作。
一个变量在同一时刻只允许一个线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或者assign操作初始化变量的值。
如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作，也不允许unlock一个被其他线程锁定主的变量。
对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行搜store和write操作）

对于volatile型变量的特殊规则

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但是它并不容易被正确地、完整地理解，以至于许多程序员都习惯不去使用它，遇到需要处理多线程数据竞争问题时一律使用synchronized来同步。了解volatile变量的语义对后面了解多线程操作的其他特性有很重要的意义。

Java内存模型对volatile专门定义了一些特殊的访问规则。

当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两种特性，第一是保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量不能做到这一点，变量值在线程之间的传递均需要通过主内存来完成。如：线程A修改了一个普通的变量的值，然后向主内存回写，另外一条线程B在线程A回写完成了之后再从主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。索然对其他线程立即可见，但是在并发的情况下，并非是线程安全的。

使用volatile 变量的第二个语义是禁止指令重排优化，普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证该变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”。

原子性、可见性与有序性

Java内存模型是围绕在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的，我们逐个来看一下哪些操作实现了这三个特性。

原子性：由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write这六个，我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的（long和double的非原子性协定例外）。

如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种要求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开发给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块-synchoronized关键字，因此在synchoronized块之间的操作也具备原子性。

可见性：可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程就能够立即得知这个值的修改。上文在讲解volatile变量的时候我们已经讨论过这一点。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此我们可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，它们是synchoronized和final。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store和write操作）”这条规则获得的，而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把this的引用传递出去，那么其他线程就能看见final字段的值。

有序性：Java内存模型的有序性在前面讲解的volatile时也详细地讨论过了，Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行的语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存和主内存同步延迟”现象。

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间的操作的有序性，volatile本身就包含了禁止指令重新排序的语义，而synchronized则是由“一个变量”在同一个时刻只允许一个线程对其进行lock操作“这条规则获得的，这个规则也决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

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