Java 内存模型- JMM

系列文章
Java 内存模型
Android 系统内存管理机制
Android 性能优化（三）之内存管理
Android 性能优化（四）之内存优化实战

如果本文阐述不太明白，可在文章末尾查看参考资料

JVM - Java Virtual Machine，Java虚拟机
JMM - Java Memory Model，Java内存模型

捋一捋，咱们要讨论的是个角度的JMM？

涉及 CPU、寄存器、高速缓存、内存的计算机实际执行的内存模型，姑且叫 动态的内存模型。
仅仅是JVM对内存的物理划分模型，包括程序计数器、线程栈/VM虚拟机栈（线程私有）、本地方法栈、堆（线程共享）、方法区、产量池等，姑且叫 静态的内存模型。

上面是以两个不同的维度来理解JMM。

认识 Java 线程安全，必须了解两个主要的点：

Java的内存模型
Java的线程同步机制，很大程度上都是基于内存模型而设定的。

关键字

语言级的内存模型，硬件级的内存模型，JSR-133，JMM抽象模型，并发，多线程，线程安全，原子性，有序性，可见性，数据依赖，重排序（编译器，处理器指令级，处理器系统缓存），内存屏障，happens-before语义，as-if-serial语义，数据竞争，顺序一致性，语法同步原语（lock / volatile / final），临界区，锁竞争，就绪队列，阻塞队列

看着很多，混个眼熟就行

其他随意补充：
transient 短暂的，不被序列化
volatile 不稳定的，保证内存可见性

知识点补充

可选择性忽略

进程和线程的区别
现在的计算机，cpu在计算的时候，并不总是从内存读取数据，它的数据读取顺序优先级是：寄存器－高速缓存－内存。
线程耗费的是CPU，线程计算的时候，原始的数据来自内存，在计算过程中，有些数据可能被频繁读取，这些数据被存储在寄存器和高速缓存中，当线程计算完后，这些缓存的数据在适当的时候应该写回内存。当个多个线程同时读写某个内存数据时，就会产生多线程并发问题，涉及到三个特性：原子性，有序性，可见性。
JVM是一个虚拟的计算机，它也会面临多线程并发问题，java程序运行在java虚拟机平台上，java程序员不可能直接去控制底层线程对寄存器高速缓存内存之间的同步，那么java从语法层面，应该给开发人员提供一种解决方案，这个方案就是诸如 synchronized, volatile,锁机制（如同步块，就绪队列，阻塞队列）等等。这些方案只是语法层面的，但我们要从本质上去理解它，不能仅仅知道一个 synchronized 可以保证同步就完了。
Java 程序执行的过程：Java源程序 *.java -> Java编译器-> 字节码文件 *.class -> Java解释器 -> 机器指令运行 -> 内存 -> 总线 -> 高速缓存 -> 寄存器 -> CPU处理

JMM到底是什么？

Java 线程之间的通信由 Java 内存模型（本文简称为 JMM）控制，JMM 决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。

从抽象的角度来看，JMM 定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读 / 写共享变量的副本。

本地内存是 JMM 的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

屏蔽了各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下能达到一致的内存访问效果。

对Java开发人员来说，抽象了工作内存的概念，并提供了保证线程安全的同步原语（lock/volatile/final）；

浅谈Java内存模型

并发编程模型有共享内存模型和消息传递模型两种。JVM采用共享内存模型。

不同的平台，内存模型是不一样的，但JVM的内存模型规范是统一的。

线程安全：Java的多线程并发最终都会反应在Java的内存模型上，而JMM 就要控制多个线程对多个资源的有序访问或修改。

Java的内存模型要解决的两个问题：可见性和有序性（包括原子性）。

JVM定义了自己的内存模型，屏蔽了底层平台内存管理细节，对于Java开发人员，要清楚在 JVM 内存模型的基础上，解决多线程的可见性和有序性。

可见性和有序性

JVM规范定义了线程对主存的操作指令：read，load，use，assign(分配指定)，store，write。

何为可见性？

多个线程之间是不能互相传递数据通信的，他们的沟通只能通过共享变量来进行。（共享内存模型）

Java 内存模型（JMM）规定了 JVM 有主内存，主内存是由多个线程共享的。当new一个对象的时候，也是被分配在主内存中，每个线程都有自己的工作内存，工作内存存储了主存的某些对象的副本，当然线程的工作内存大小是有限制的。当线程操作某个对象时，执行顺序如下：

从主存复制变量到当前工作内存 (read and load)
执行代码，改变共享变量值 (use and assign)
用工作内存数据刷新主存相关内容 (store and write)

当一个共享变量在多个线程的工作内存中都有副本时，如果一个线程修改了这个共享变量，那么其他线程应该能够看到这个被修改后的值，这就是多线程的可见性问题。

何为有序性？

线程在引用变量时不能直接从主内存中引用,如果线程工作内存中没有该变量,则会从主内存中拷贝一个副本到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该副本。当同一线程再度引用该字段时,有可能重新从主存中获取变量副本(read-load-use),也有可能直接引用原来的副本 (use),也就是说 read,load,use顺序可以由JVM实现系统决定

线程不能直接为主存中中字段赋值，它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign),完成后这个变量副本会同步到主存储区(store- write)，至于何时同步过去，根据JVM实现系统决定

有该字段,则会从主内存中将该字段赋值到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该变量副本

当同一线程多次重复对字段赋值时,线程有可能只对工作内存中的副本进行赋值,只到最后一次赋值后才同步到主存储区，所以assign,store,weite顺序可以由JVM实现系统决定。

以下说明沿袭“working memory”的说法，不牵扯到太多底层细节，从语法层面理解java的线程同步，知道各个关键字的使用场景

语义保证线程安全

synchronized 解决多线程的执行有序性和内存可见性问题，保证同步块是互斥的。
volatile 只解决多线程的内存可见性问题（轻量级的同步，不保证执行有序性）。

final 不可变，只能在构造方法中赋值一次。

JSR-133 之后对 volatile和 final 增强了语义，保证内存可见性

synchronized

synchronized 标示了临界区或互斥区

方法锁
public synchronized void add(int num)，锁就是这个方法所在的对象
public static synchronized void add(int num)，锁就是这个方法所在的class

理论上，每个对象都可以做为锁，但一个对象做为锁时，应该被多个线程共享，这样才显得有意义，在并发环境下，一个没有共享的对象作为锁是没有意义的。

每个锁对象都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列。

就绪队列存储了将要获得锁的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程（wait），当一个被线程被唤醒 (notify)后，才会进入到就绪队列，等待cpu的调度。

一个线程执行临界区代码过程如下：

获得同步锁
清空工作内存
从主存拷贝变量副本到工作内存
对这些变量计算
将变量从工作内存写回到主存
释放锁
可见，synchronized既保证了多线程的并发有序性，又保证了多线程的内存可见性。

volatile

轻量级的同步，只能保证多线程的内存可见性，不能保证多线程的执行有序性。

任何被 volatile 修饰的变量，都不拷贝副本到工作内存，任何修改都及时写在主存。因此对于 volatile 修饰的变量的修改，所有线程马上就能看到，但是volatile不能保证对变量的修改是有序的。

要使 volatile 变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:
1)对变量的写操作不依赖于当前值。
2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

适合场景：直接进行赋值操作，开销非常小

参考资料

JSR-133 官方文档
线程安全总结（一）
线程安全总结（二）
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