Java内存模型——简介
Java内存模型
Ⅰ 物理机的并发
处理器要与内存交互，如读取运算数据、存储运算结果等，因此I/O操作是很难消除的（无法仅靠寄存器来完成所有运算任务）。由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有着几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层或多层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。
基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存速度之间的矛盾，但是也为计算机系统带来更高的复杂度，它引入了一个新的问题：缓存一致性（Cache Coherence）。在多路处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存（Main Memory），这种系统称为共享内存多核系统（Shared Memory Multiprocessors System）。当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致。为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI（Illinois Protocol）、MOSI、Synapse、Firefly及Dragon Protocol等。不同架构的物理机器可以拥有不一样的内存模型，而Java虚拟机也有自己的内存模型，并且与这里介绍的内存访问操作及硬件的缓存访问操作具有高度的可类比性。
为了使处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行（Out-Of-OrderExecution）优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有指令重排序（Instruction Reorder）优化。
Ⅱ Java内存模型（Java Memory Model，JMM）
JDK 5后Java内存模型开始成熟起来。Java内存模型屏蔽掉了各种硬件和操作系统的内存访问差异，实现了让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。
（1）主内存与工作内存
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JVM中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量包括实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量和方法参数，因为后两者是线程私有的，不会被线程共享。
Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中。每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本，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中的数据。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。
线程、主内存和工作内存之间的交互：
（2）内存间交互操作
关于主内存与工作内存之间的具体交互协议，即一个变量如何从主内存中拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了如下8种操作来完成。JVM实现时必须保证下面提及的每一种操作的原子的、不可再分的。
lock(锁定): 作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态unlock(解锁): 作用于主内存的变量，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，它把一个变量的值从主内存传输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): 作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎。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的变量。store(存储): 作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write操作使用。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。
Java内存模型的三大特性:
原子性: 由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read。大致可以认为，基本数据类型的访问读写是具备原子性的。如若需要更大范围的原子性，需要synchronized关键字约束。(即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行)
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。volatile、synchronized、final三个关键字可以实现可见性。
有序性: 如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在线程中观察另外一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指"线程内表现为串行"，后半句是指"指令重排序"和"工作内存与主内存同步延迟"现象。
（3）先行发生原则（happens-before）
Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。下面具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：
程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
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
volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
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的发生
线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始
也就是说，要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。
（4）关键字volatile
当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性：第一项是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，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量并不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递时均需要通过主内存来完成。
注意：
Java里面的运算操作符并非原子操作，这导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。
由于volatile变量只能保证可见性，在应用volatile时必须符合以下两条规则，否则我们仍然要通过加锁（使用synchronized、java.util.concurrent中的锁或原子类）来保证原子性：
- 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
- 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。
使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通的变量仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。
注意：
- 在实际开发中，除非该数据有明确可知的线程竞争，否则我们在编写代码时一般不需要刻意把long和double变量专门声明为volatile。
- 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，
Ⅲ Java与线程
线程是Java处理器资源调度的最基本单位。
（1）Java线程调度
线程调度是指系统为线程分配处理器使用权的过程，调度主要方式有两种，分别是协同式（Cooperative Threads-Scheduling）线程调度和抢占式（Preemptive Threads-Scheduling）线程调度。
如果使用协同式调度的多线程系统，线程的执行时间由线程本身来控制，线程把自己的工作执行完了之后，要主动通知系统切换到另外一个线程上去。协同式多线程的最大好处是实现简单，而且由于线程要把自己的事情干完后才会进行线程切换，切换操作对线程自己是可知的，所以一般没有什么线程同步的问题。它的坏处也很明显：线程执行时间不可控制，甚至如果一个线程的代码编写有问题，一直不告知系统进行线程切换，那么程序就会一直阻塞在那里。
如果使用抢占式调度的多线程系统，那么每个线程将由系统来分配执行时间，线程的切换不由线程本身来决定。在这种实现线程调度的方式下，线程的执行时间是系统可控的，也不会有一个线程导致整个进程甚至整个系统阻塞的问题。