JAVA并发之内存模型

JAVA并发之内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model,JMM）来屏蔽掉各种硬件和操作系统的访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。
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的这样的底层细节。此处的变量与Java编程中所说的变量有所区别，它包括了实例字段、静态字段和狗层数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，后者是线程私有的，不会被共享。

主内存与工作内存

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中（虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存。线程的工作内存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的变量。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程变量之间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。（这里的主内存与Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是一个层次的内存划分，这两者基本上是没有关系的）

内存间的相互操作

关于主内存与工作内存之间的交互协议，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到主内存之内的实现细节，Java内存模型中定义了8种操作来完成，虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外，因为double和long都是64位的数据类型，在模型中特别定义了一条宽松的规定：允许虚拟机将没有被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，即允许虚拟机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，这就是double和long的非原子协定。在目前各种平台下的商用虚拟机几乎都选择把64位数据的读写操作作为原子操作来对待，因此我们在编码时一般不需要把用到的long和double变量专门声明为volatile）。

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识成一条线程独占的状态。
• unlock（解锁）：作用于主内存中的变量，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，它把一个变量值从主内存传输到线程工作的内存中，以便随后的load调用。
• load（载入）：作用于工作内存中的变量，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）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的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就会执行这个操作。
• 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给工作内存中的变量，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）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量的值传送到主内存中，以便随后的write使用。
• write（写入）：作用于主内存的变量，它把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。

要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序执行read和load操作，要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序执行store和write操作。

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之后必须把该变化同步回主存。
• 不允许一个线程无原因的（没有发生过任何assigh操作）把数据从线程的工作内存同步回主存。
• 一个新的变量只能在主存中“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assign和load操作。
• 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其lock操作，但lock操作可以被同一个线程重复执行多次，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，那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。
• 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许执行unlock操作，也不允许unlock一个被其他线程锁住的变量。
• 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store、write操作）。

Java内存模型的特征

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的。

• 原子性：有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，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操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorennter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代码中就是同步快-synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。
• 可见性：可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。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变量的特殊规则保证了新值能立即同步到主存，以及用之前立即从主内存刷新。因此，可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量不能保证这一点。除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，即synchronized和final。同步块的可见性是有“对一个变量执行unlock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初始化完成，并且构造器没有把”this“的引用传递出去（this引用逃逸可能会让其他线程通过这个引用访问到”初始化了一半“的对象），那在其他线程中就能看见final字段的值。
• 有序性：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”线程内表现为串行语义“，后半句是指”指令重排序现象“和”工作内存与主内存同步延迟“的现象。Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由”一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作“这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行的进入。

先行发生原则

先行发生原则是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作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。
先行发生原则 是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依旧。
下面是Java内存模型的一些”天然的“先行发生关系，这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则中推导出来，它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们任意进行重排序。

• 程序次序规则：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确的说，应该是控制流顺序而不是程序代码的顺序，因为要考虑分枝、循环等结构。
• 管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作，这里必须强调的是同一个锁，而”后面“是指时间上的先后顺序。
• volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的”后面“同样是指时间上的先后顺序。
• 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
• 线程终止规则：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值对于检测到线程已经终止执行。
• 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。
• 对象终结规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize()方法。
• 传递性：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。
  Java无须任何同步手段保障就能成立的先行发生规则就只有上面这些了。
  时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大关系。

java内存模型之关键字volatile：https://blog.csdn.net/goodwell__/article/details/105098375