并发编程-锁的那些事儿【一：并发的本质-Java内存模型】

前言

时隔几周，今天我们正式进入并发编程的艺术之中， 在此我分享下指引我学习方向的书籍：《深入理解Java虚拟机》，《Java并发编程的艺术》，《Java并发编程实战》 按照上述顺序依次阅读；

真正开始接入并发这门艺术时，其实说难也不难，说简单也不简单。 对于已经“进去”人，他们可以抓住主要核心思想去理解，那么对于“没进去”的小白，可能会感觉这个玩意该从哪找切入点学习呢？ ---- 没关系，本次我来会分享我学习时的一些方向和心得。

面对这种平常挂在嘴上说，但有摸不清门路的东西。 我通常会从书中获得切入点。 同样的带着问题去看书：
1、并发的本质原理是啥？
2、用什么样的技术可以实现并发？

并发的本质原理是啥？

想要搞清楚并发，那么就得知道其本质。 上述提的三本书中都有说到。 其中都会提到一个名词 “Java内存模型”，那么这个又是啥呢？

先来了解下 最早之前，物理计算机的原理； 当电脑还是单核，运算量不大时。 计算一组公式的运算有CPU去完成，计算出来的产物和参与计算的参数，则需要放置在内存中。那么其中就多了CPU与内存之间的I/O操作。 由于计算机的存储设备与CPU运算速度，没在一个等级上，比如 cpu一秒钟可以计算1w个公式，内存储存速度只能达到5千，那cpu总不能等着内存慢慢存储吧，效率很低。所以不得不在cpu与内存之间加了一层高速缓存，俗称寄存器，用来作为cpu与内存之间的缓冲。 将运算的参数先放到寄存器中，那么cpu就可以不用等待，等运算结束后，在将寄存器的数据同步到内存中。

于此同时也会造成一个问题：缓存一致性 随着发展，多核时代进入，每个cpu都有自己的寄存器，但都共享同一个主内存。那么当多个cpu对同一块主内存的区域进行运算时，那么该以谁为准呢？ so 为了解决这一问题，就得需要有一些规范来约束了。在进行读写时，必须按照规范进行操作。 由此咱们就引出 并发编程第一个重点： Java内存模型

Java内存模型 [在特定的规范下，对特定的内存或工作内存进行读写操作的抽象过程]

在接触Java开发时，总所周知的一个特性就是：Java可以无视平台化，进行运行。其答案就在于这个内存模型中。 此模型的诞生，就是为了来屏蔽各个硬件间与操作系统的 内存访问差异。 譬如C、C++他们则是使用的物理内存模型，那么就带来一个问题：换一台不同的模型，那么这套程序就会出问题了，因为内存访问方式变化了，随着而来就是应用也得跟着变化。

Java内存模型主要定义应用中各个变量的访问规则；即如何在内存中对变量进行储存和访问。
而且规定所有的变量均要存储在主内存【类比物理内存】中，每个线程会有私有的工作内存【类比寄存器】，工作内存红保存了主内存中被该线程使用到的变量副本。线程在对其进行操作时，都必须在各自的工作内存中，不能直接读取主内存。 同时每个线程之间工作内存是独立，不能相互访问。 so 这里就引出了 线程 工作内存 主内存三个名称，用下面图来看下交互关系吧

是否会有人问 这套模型与JVM的模型有啥关系么？ 实际来说，其实没太大关联。 死气白咧要扯关系的话， 主内存---->Java堆的对象实例化这部分、工作内存----->虚拟栈的部分区域；

内存之间访问规则

上诉介绍了Java内存模型的构造，也提了有特定规范来约束存储与访问的，那这篇详细说明下：

模型中定义了**8种原子操作**：

• lock(锁定)： 作用于主内存，它把一个变量标记为一条线程独占状态；
• unlock(解锁)：作用于主内存，它将一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能够被其他线程锁定；
• read(读取)：作用于主内存，它把变量值从主内存传送到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用；
• load(载入)：作用于工作内存，它把read操作的值放入工作内存中的变量副本中；
• use(使用)：作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时候，将会执行这个动作；
• assign(赋值)：作用于工作内存，它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时候，执行该操作；
• store(存储)：作用于工作内存，它把工作内存中的一个变量传送给主内存中，以备随后的write操作使用；
• write(写入)：作用于主内存，它把store传送值放到主内存中的变量中。

从上面规则来解答下一下2个问题：

1. 如何将变量从主内存复制到工作内存？
   需要顺序的经过read与load操作。

2. 如何将变量从工作内存同步到主内存？
   需要顺序的经过store与write操作。

发现了么？ 这个俩组操作缺一不可，并且一定得按照顺序执行，但没有规定得连续执行，咋理解呢？ 例如 现在主内存有 a b俩个变量， 需要copy到工作内存： read a ，read b ，load b，load a。

知道了有这8种原子操作后，也定义了**8条操作需要满足的规则**：

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，以上两个操作必须按顺序执行，但没有保证必须连续执行，也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的。
• 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
• 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
• 一个新的变量只能从主内存中“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操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
• 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其执行lock操作，但lock操作可以被同一个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assign操作初始化变量的值。
• 如果一个变量实现没有被lock操作锁定，则不允许对它执行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（执行store和write操作）。

总结下： 那么并发的本质到底是啥呢？ 其实很明白了，保证缓存的一致性， 并发说到底也就是，1-N[线程] 1对多的内存关系时，如何能保证数据的准确，有条有序的执行。 Java内存模型只是帮助其定义一套规范，在实际开发中的操作都得基于这套规范上来操作。 原理理解后，还需看看用什么样的技术方式，实现上述的规则。 也就是下面要说的并发三大特性；