Java 内存模型

Java 内存模型简称 JMM，是 Java 中为了解决可见性和有序性问题而制定的一种编程规范和规则，与 JVM 实实在在的内存结构不同，JMM 只是一种编程规范和规则。

1. 原子性指一个操作是不可中断的。即使是在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程干扰。
2. 可见性指当一个线程修改了某一个共享变量的值，其他的线程是否能够立即知道这个修改。显然，对于串行程序来说，可见性问题是不存在的。因为我们在任何一个操作步骤中修改了某个变量，那么在后续的步骤中，读取这个变量一定是修改后的值。
3. 有序性指对于一个线程的执行代码，我们习惯性的认为代码的执行是从前往后，依次执行的。但是在并发时，程序的执行可能会出现乱序。给人直观的感觉就是：写在前面的代码，可能会在后面执行。

Java 内存模型的概念

Java 内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，也就是存储在计算机的物理内存中，每个线程都有自己的工作内存，用于存贮线程私有的数据，线程对变量的所有操作都需要在工作内存中完成。一个线程不能直接访问其他线程工作内存的数据，只能通过主内存进行数据交互。如图，可以表示线程、主内存、工作内存的关系。

1. 变量都存储在主内存中；
2. 当线程需要操作变量时，需要先将主内存中的变量复制到对应的工作内存中。
3. 线程直接读写对应的工作内存中的变量；
4. 一个线程不能直接访问其他线程工作内存中的数据，只能通过主内存间接访问。

Java 内存模型的八大操作

对于线程工作内存与主内存之间的数据交互，JMM 定义了一套交互协议，规定了一个变量从主内存中复制到工作内存中，以及从工作内存同步到主存中的实现细节。JMM 同步数据的 8 种操作如表所示。

指令	名称	目标	作用
lock	锁定	主存中的变量	把主内存中的某个变量标记为线程独占
unlock	解锁	主存中的变量	释放主内存中锁定状态的某个变量，释放后可以被其他线程再次锁定
store	存储	工作内存中的变量	将工作内存中的某个变量传送到主内存中
write	写入	主内存中的变量	将 Store 操作从工作内存中得到的变量值写入主内存的变量中
read	读取	主内存中的变量	将主内存中的某个变量传送到工作内存中
load	载入	工作内存中的变量	将 Read 操作从主内存中得到的变量值载入工作内存的变量中
use	使用	工作内存中的变量	将工作内存中的某个变量值传递到执行引擎
assign	赋值	工作内存中的变量	执行引擎将某个值赋值给工作内存中的某个变量

JMM 同步数据的具体流程如图所示：

JMM 还规定了这 8 种操作必须满足如下规则：

1. 没有进行 assign 操作的线程允许将数据从工作内存种同步到主内存中；
2. store 和 write 操作必须按顺序成对出现，但是可以不连续执行，它们之间可以插入其他指令；
3. read 和 load 操作必须按顺序成对出现，但是可以不连续执行，它们之间可以插入其他指令；
4. 如果一个线程进行了 assign 操作，则它必须使用 write 操作将数据写回主内存；
5. 变量只能在主内存种生成，对变量执行 use 和 store 操作之前，必须先执行 assign 和 load 操作；
6. 一个变量只允许同时被一个线程执行 lock 操作，可以被这个线程执行多次 lock 操作，但是后续需要执行相同次数的 unlock 操作才能解锁；
7. 针对一个变量的 lock 和 unlock 操作必须成对出现；
8. 对一个变量执行 lock 操作时，会清空工作内存中当前变量的值，当使用这个变量时，需要重新执行 load 或者 assign 操作加载并初始化变量的指；
9. 不允许对一个没有执行 lock 操作的变量执行 unlock 操作，也不允许对其他线程执行了 lock 操作的变量执行 unlock 操作；
10. 必须先对变量执行 store 和 write 操作将其同步到主内存中，才能对该变量执行 unlock 操作。

Java 内存模型解决可见性与有序性问题

为了解决可见性和有序性问题，Java 提供了按需禁用缓存和编译优化的方法，开发人员可以根据需要使用这些方法，如图所示

JMM 规范了 JVM 提供按需禁用缓存和编译优化的方法，如图所示

JMM 规划 JVM 禁用缓存和编译优化的方法包括 volatile、synchronized 锁和 final 关键字，以及 JMM 模型中的 Happens-Before 原则，如图所示：

JMM 同样提供了内存屏障来解决多线程之间的有序性问题，主要包括读屏障（Load Barrier）和写屏障（Store Barrier）两大类。

1. 读屏障插入在读指令的前面，能够让 CPU 缓存中的数据失效，重新从主内存读取数据。
2. 写屏障插入在写指令的后面，能够让 CPU 缓存的最新数据立马刷新到主内存。

参考：《深入理解高并发编程-核心原理与案例实战》