【Java虚拟机6】Java内存模型（Java篇）

什么是Java内存模型

《Java虚拟机规范》中曾试图定义一种“Java内存模型”（Java Memory Model，JMM）来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。
在此之前，主流程序语言（如C和C++等）直接使用物理硬件和操作系统的内存模型。因此，由于不同平台上内存模型的差异，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发访问却经常出错，所以在某些场景下必须针对不同的平台来编写程序。

定义Java内存模型并非一件容易的事情，这个模型必须定义得足够严谨，才能让Java的并发内存访问操作不会产生歧义；但是也必须定义得足够宽松，使得虚拟机的实现能有足够的自由空间去利用硬件的各种特性（寄存器、高速缓存和指令集中某些特有的指令）来获取更好的执行速度。经过长时间的验证和修补，直至JDK 5（实现了JSR-133）发布后，Java内存模型才终于成熟、完善起来了。

主内存与工作内存

Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即关注在虚拟机中把变量值存储到内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。此处的变量（Variables）与Java编程中所说的变量有所区别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中（此处的主内存与介绍物理硬件时提到的主内存名字一样，两者也可以类比，但物理上它仅是虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory，可与前面讲的处理器高速缓存类比），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、工作内存三者的交互关系如图所示，注意与图【处理器、高速缓存、主存的交互关系】进行对比。

8大原子指令

JSR133已经放弃这种描述，所以不再介绍。

原子性、可见性、有序性

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的，我们逐个来看一下哪些操作实现了这三个特性。

1、原子性（Atomicity）
由Java内存模型来直接保证原子性变量操作包括read、load、assign、use、store、write，大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的。如果应用场景需要一个更大的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock，尽管虚拟机没有把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monitorenter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代码中就是同步块----synchronized关键字

2、可见性（Visibility）
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其实已经详细写了这一点，其实synchronized关键字也是可以实现可见性的，synchronized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内存中"这条规则获得的。
另外，final关键字也可以实现可见性，被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去（this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那么在其他线程中就能看见final字段的值。

3、有序性（Ordering）
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，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另外一个线程，所有的操作都是无须的。前半句是指"线程内表现为穿行的语义"，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。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，这条规则规定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

volatile的Java语义

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。
一个变量被定义为volatile后，它将具备两种特性：
1、保证此变量对所有线程的"可见性"，所谓"可见性"是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其它线程来说都是可以立即得知的，而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在在线程间传递均需要通过主内存来完成，关于volatile关键字的操作请参见volatile关键字使用举例，再强调一遍，volatile只保证了可见性，并不保证基于volatile变量的运算在并发下是安全的。

2、第二个语义是禁止指令重排序优化，普通变量仅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。

总结一下Java内存模型对volatile变量定义的特殊规则：
1、在工作内存中，每次使用某个变量的时候都必须线从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对该变量所做的修改之后的值
2、在工作内存中，每次修改完某个变量后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程能够看见自己对该变量所做的修改
3、volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，保证代码的执行顺序与程序顺序相同

关于volatile的底层实现可以参考我的上两篇文章：
【Java虚拟机4】Java内存模型（硬件层面的并发优化基础知识--缓存一致性问题）
【Java虚拟机5】Java内存模型（硬件层面的并发优化基础知识--指令乱序问题）
搞明白硬件层面的原理，volatile原理就太简单了：
简单说：在Intel X86 Windows环境中volatile底层就是转为了lock汇编指令，这个指令即保证了无法指令重排（内存屏障），也保证了缓存一致性（总线锁和缓存锁共同实现）。

Happens before先行发生原则

如果Java内存模型中所有的有序性都仅仅靠volatile和synchronized来完成，那么有一些操作将变得很繁琐，但是我们在编写Java代码时并未感觉到这一点，这是因为Java语言中有一个"先行发生（happens-before）"原则。这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，依赖这个原则，我们可以通过几条简单规则一揽子解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题，而不需要陷入Java内存模型苦涩难懂的定义之中。

所谓先行发生原则是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，比如说操作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。

1. 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照控制流顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。注意，这里说的是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。
2. 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：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。
3. volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：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。
4. 线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
5. 线程终止规则（Thread Termination Rule）：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()方法是否结束、Thread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止执行。
6. 线程中断规则（Thread Interruption Rule）：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，可以通过Thread::interrupted()方法检测到是否有中断发生。
7. 对象终结规则（Finalizer Rule）：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()方法的开始。
8. 传递性（Transitivity）：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。

示例1

i=1; (在线程A中执行)
j=i; (在线程B中执行)
i=2; (在线程C中执行)

假设线程A中的操作“i=1”先行发生于线程B的操作“j=i”，那我们就可以确定在线程B的操作执行后，变量j的值一定是等于1，得出这个结论的依据有两个：
一是根据先行发生原则，“i=1”的结果可以被观察到；
二是线程C还没登场，线程A操作结束之后没有其他线程会修改变量i的值。
现在再来考虑线程C，我们依然保持线程A和B之间的先行发生关系，而C出现在线程A和B的操作之间，但是C与B没有先行发生关系，那j的值会是多少呢？
答案是不确定的，1和2都有可能，因为线程C对变量i的影响可能会被线程B观察到，也可能不会，这时候线程B就存在读取到过期数据的风险，不具备多线程安全性。

示例2

private int i = 0;

public void setI(int i) {
    this.i = i;
}

public int getI() {
    return i;
}

假设存在线程A和B，线程A先（时间上的先后）调用了setValue(1)，然后线程B调用了同一个对象的getValue()，那么线程B收到的返回值是什么？

我们依次分析一下先行发生原则中的各项规则。由于两个方法分别由线程A和B调用，不在一个线程中，所以程序次序规则在这里不适用；
由于没有同步块，自然就不会发生lock和unlock操作，所以管程锁定规则不适用；
由于value变量没有被volatile关键字修饰，所以volatile变量规则不适用；
后面的线程启动、终止、中断规则和对象终结规则也和这里完全没有关系。

因为没有一个适用的先行发生规则，所以最后一条传递性也无从谈起，因此我们可以判定，尽管线程A在操作时间上先于线程B，但是无法确定线程B中getValue()方法的返回结果，换句话说，这里面的操作不是线程安全的。

那怎么修复这个问题呢？我们至少有两种比较简单的方案可以选择：
1、把getter/setter方法都定义为synchronized方法，这样就可以套用管程锁定规则；
2、把value定义为volatile变量，由于setter方法对value的修改不依赖value的原值，满足volatile关键字使用场景，这样就可以套用volatile变量规则来实现先行发生关系。

参考

《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》--周志明老师