JVM学习笔记七：内存模型JMM

主内存与工作内存

主内存：所有的实例字段、静态字段和构成数组对象的元素都存储在主内存，但不包括局部变量与方法参数。

工作内存：每个线程都有自己的工作内存，工作线程中保存了该线程用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存的变量，不同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、工作内存之间的交互关系图如下：

内存间交互操作

主内存与工作内存之间具体的交互协议，被定义了以下8种操作来完成，虚拟机实现时必须保证每一种操作都是院子的、不可再分的。

1. lock，锁定，所用于主内存变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
2. unlock，解锁，解锁后的变量才能被其他线程锁定。
3. read，读取，所用于主内存变量，它把一个主内存变量的值，读取到工作内存中。
4. load，载入，所用于工作内存变量，它把read读取的值，放到工作内存的变量副本中。
5. use，使用，作用于工作内存变量，它把工作内存变量的值传递给执行引擎，当JVM遇到一个变量读取指令就会执行这个操作。
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值给工作内存变量。
7. store，存储，作用域工作内存变量，它把工作内存变量值传送到主内存中。
8. write，写入，作用于主内存变量，它把store从工作内存中得到的变量值写入到主内存变量中。

8种操作的实现规则：

1. 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许加载或同步工作到一半。
2. 不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后，必须吧改变化同步回主内存。
3. 不允许一个线程无原因地（无assign操作）把数据从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。
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重复执行多次，，多次lock之后必须要执行相同次数的unlock操作，变量才会解锁。
6. 如果对一个对象进行lock操作，那会清空工作内存变量中的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
7. 如果一个变量事先没有被lock，就不允许对它进行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁住的变量。
8. 对一个变量执行unlock操作之前，必须将此变量同步回主内存中（执行store、write）。

对于volatile型变量的特殊规则

volatile变量具有两种特征：1. 是保证此变量对所有线程的可见性；2. 禁止指令重排优化

对于volatile的可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，仍要枷锁来保证原子性：

1. 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。
2. 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

volatile的实现原理

经过volatile修饰的变量，通过查看JIT编译后的汇编代码

可以发现，关键在于被volatile修饰的变量，复制后，多执行了一个lock指令，这个操作相当于一个内存屏障，指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置，add1 0，exp是一个空指令，重点在于lock前缀，它的作用是使得本CPU的Cache写入了内存，同时其他CPU的Cache失效，这种操作相当于对工作内存变量做了一次store和write，通过这个操作，可以让volatile修饰的变量对其他CPU可见。

那么它又是如何禁止指令重排的呢？

从硬件架构上讲，指令重排序是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单页处理，但并不是说指令任意重排，CPU需要能正确处理指令依赖情况以保证程序能够得出正确的执行结果，lock指令把修改同步到内存时，意味着所有之前的操作都已经执行完成，这样便形成了”指令重排无法越过内存屏障“的效果。

java内存模型中对volatile变量定义的特殊规则：

1. read、load、use 必须一起出现，保证每次使用工作内存中的变量时，都必须从主内存刷新最新的值，以便能看见其他线程对变量所做的修改。
2. assign、store、write 必须一起出现，保证每次修改都立刻同步到主内存中。
3. 对两个不同变量的use或assign操作顺序，要和对这两个变量的read或write操作顺序相同（禁止指令重排序）。

对于Long和Double型变量的特殊规则：

对于64位数据类型，虚拟机规范允许将64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即虚拟机可以选择不保证64位数据类型的load、store、read、write这4个操作的原子性。

原子性、可见性、有序性

原子性

由Java内存模型提供的8个原子性操作所支持，Long和Double的读写大部分商业虚拟机上已实现为原子性操作，更大范围的原子性操作，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来支持，在字节码层次提供了monitorenter和monitorexit来隐式的使用这两个操作，反映到java代码中就是同步代码块了 synchronize。

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，可见性由volatile支持，除了volatile以外，synchronize和final关键字，synchronize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“这条规则保证的，而final关键字是指当final修饰的字段在构造函数中一旦初始化完成，并且构造器没有把this的引用传递出去，那在其他线程中就能看见final字段的值，无须同步就能被其他线程正确访问。

有序性

java提供了volatile和synchronize两个关键字来保证线程之间操作的有序性，synchronize是由“一个变量在同一时刻只允许一条线成对其进行lock操作”。

先行发生原则 happens-before

java内存模式下一些天然的先行发生关系，无须任何同步器协助就已经存在，可以再编码中直接使用，这些规则包括：程序次序规则、管程锁定规则、volatile变量规则、线程启动规则、线程终止规则、线程中断规则、对象终结规则、传递性。

参考资料

本文参考：《深入理解Java虚拟机》