java内存模型知识点整理

一.内存间交互操作
本身是一种抽象概念，描述了一组规则或规范，定义了程序各个变量的访问规则，java线程模型规定了所有变量都存储在主内存种，每条线程还有自己的工作内存。线程的工作内存保留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必须在工作内存中进行，不能直接读写主内存中的变量。不同线程之间也访问对方的工作内存。线程间变量的值传递需要通过主内存来完成.
java内存模型定义了如下八种操作来完成主内存与工作内存之间的交互，每一种操作都是原子的不可分割的：

1. lock（锁定）：作用于主内存变量，将一个变量标识为线程独占状态。
2. unlock（解锁）
3. read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量从主内存传输到线程的工作内存中。
4. load（载入）：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。
5. use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存的变量传递给执行引擎。
6. assign（赋值）：作用于工作内存变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存变量，当虚拟机接收到给一个变量赋值的字节码指令时会执行这个操作。
7. store（存储）：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。
8. write（写入）：作用于主内存变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存变量中。

执行上述八中操作必须满足如下规则：

1. 不允许read load、store write操作之一单独出现。
2. 不允许一个线程丢弃他最近的assign操作。即变量再工作内存中改变了后必须同步回主内存。
3. 不允许一个线程无原因的（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步到主内存中。
4. 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的（load或assign）变量。也就是说对一个变量load或store之前，必须read或assign。
5. 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多次执行，多次执行lock后，只有相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
6. 对一个变量执行lock操作，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，需要重新使用load或assign操作初始化变量的值。
7. 没有被lock 不许unlock。
8. 对一个变量unlock前，必须把此变量同步回主存中。

二.volatile变量的特殊规则
volatile可以看作一种“程度较轻的Synchronized”,但相较于synchronized提供的“原子性”和“可见性”，volatile变量只拥有可见性。volatile变量的两种特性如下：
1.保证此变量对所有线程的可见性，这里的可见性是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对其他线程可以是立即得知的。
但volatile变量在并发环境下的运算并不是线程安全的，因为他并不具备原子性，所以在不符合如下两个规则的运算中，仍需要加锁保证原子性：
1）运算结果并不依赖当前变量的值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值
2）变量不需要与其他状态的变量共同参与不变约束。
2.禁止指令重排序
普通变量只能保证在该方法的执行过程中所依赖赋值结果的地方都能获得正确的结果，而不能保证变量赋值的操作顺序与程序代码的中的执行顺序一致。
但是在单个线程中指令重排序并不会影响程序的执行结果，但在并发环境下，会存在问题，volatile会禁止指令重排序。靠的是内存屏障。有volatile修饰的变量，赋值后会多执行了一个“lock add1 0x0,(esp)把修改同步到内存时，意味着之前所有的操作都已经完成了。
T表示一个线程，V，W表示两个volatile型变量。

1. 只有线程T对V执行前一个动作是load时，T才能对V执行use动作。当T对V的后一个动作时use时，才能执行load动作，T对V的use动作与load read动作相关联，必须连续一起出现（每次使用V之前，必须从其他主存刷新最新值，保证能看到其他线程对V变量修改后的值。）
2. 与1相同，assign操作与store，write动作相关联，必须一起出现（在工作内存中，每次修改V后，都必须立刻同步回主存中）
3. 假定动作A是线程T对变量V实施的use或assign操作，假定动作F是和动作A相关联的load或store操作，假定动作P是动作F相对应的对变量V的read或write动作。假定动作B是线程T对变量W实施的use或assign操作，假定动作G是和动作A相关联的load或store操作，假定动作Q是动作F相对应的对变量V的read或write动作。如果A先于B，那么P先于Q。（这条指令要求volatile修饰的变量不会被指令排序优化，保证代码执行顺序与程序相同）。
   volatile变量读性能消耗与普通变量差不多，但是写操作可能满一下，因为他需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。

三.Java内存模型的特征：
原子性、可见性、有序性
1.原子性：Java内存模型保证的原子性操作包括：read load use assign store write。基本数据类型的读写是原子性的。Synchronized块之间的操作也具备原子性。
2.可见性：指的是一个线程修改了共享变量的值，其他线程立即得知。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未传递媒介的方式实现可见性。除了volatile，synchronized和final也可实现可见性。
同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主存中（store，write）”实现的。Final可见性是指一旦final字段在构造器中初始化完成，其他线程中就能看到final字段的值。
3.有序性：如果在本线程内观察，所有操作都是有序的，如果在一个线程内观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句表示线程内表示为串行的语义，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现象”。
Volatile和synchronized关键字保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包括了禁止指令重排序的语义，synchronized是由“一个变量同一时刻只允许一个线程对其lock操作”获得的。

先行发生原则（happen-before）：如果操作A先行发生于操作B，那么在操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到。“影响”包括修改了共享变量的值，发送了信息，调用了方法等。
Java内存模型下一些天然的先行发生关系：
1.程序次序规则：
2.管程锁定规则:
3.volatile变量规则:
4.线程启动规则
5.线程终止规则
6.线程中断规则
7.对象终结规则
8.传递性
一个操作时间上先发生不代表先行发生，同时先行发生也不代表时间上先发生。（指令重排序）