【深入理解Java虚拟机】第十二章 Java内存模型与线程

12.3 Java内存模型-JMM

12.3.1 主内存与工作内存

JMM主要目标是定义程序中各个变量的访问规则

此处的变量包括实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有。

JMM规定所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存，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都在工作内存中进行，不能直接读写主内存的变量。

线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

12.3.2 内存间交互操作

主内存与工作内存间的交互协议，JMM中定义了以下8种原子操作：

• lock ：作用于主内存变量，把一个变量标识为一条线程独占的状态
• unlock：作用于主内存变量，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它线程锁定
• read ：作用于主内存变量，把一个变量的值从主内存传输到线程工作内存，以便随后的load动作使用
• load ：作用于工作内存变量，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 ：作用于工作内存变量，把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当JVM遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行该操作
• assign：作用于工作内存变量，把一个从执行引擎收到的值赋值给工作内存的变量，当JVM遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行该操作
• store ：作用于工作内存变量，把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用
• write ：作用于主内存变量，把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中

JMM还规定在执行上述8种原子操作时需要满足如下规则：

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，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回写了但主内存不接受的情况出现
• 不允许线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存
• 不允许线程无原因地（没有发生任何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、store操作之前，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条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会解锁
• 如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中次变量的值，在执行引擎使用该变量前，需要重新执行load或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，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量
• 对一个变量执行unlock操作前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）

12.3.3 对于volatile型变量的特殊规则

当变量定义为volatile后，将具备两种特性：

1. 保证此变量对所有线程的可见性。这里的“可见性”指当一条线程修改了该变量值后，新值对于其它线程来说是可立即得知的。

   由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，仍然要通过加锁保证原子性：

   • 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一线程修改变量的值
   • 变量不需要与其他的状态共同参与不变约束

2. 禁止指令重排序优化

12.3.4 对于long和double型变量的特殊规则

允许JVN将没有volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即允许JVM实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这4个操作的原子性。

但在实际中，几乎都把64位数据的读写操作作为原子操作来对待。

12.3.5 原子性、可见性与有序性

原子性：由JMM来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write，大致可认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的。更大范围的原子性保证使用sychronized关键字

可见性：指当一个线程修改了共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。

有序性：如果在本线程内观察，所有操作都是有序的（线程内表现为串行的语义）；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的（“指令重排序” 和 “工作内存与主内存同步延迟”）

12.3.6 先行发生原则

判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据

先行发生是JMM中定义的两项操作间的偏序关系，如果说操作A先行发生于操作B，就是说在发生B之前，A产生的影响被B观察到。“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等

时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系，所以我们衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准