Java内存模型(JMM)

1. 概述

　　多任务和高并发是衡量一台计算机处理器的能力重要指标之一。一般衡量一个服务性能的高低好坏，使用每秒事务处理数(Transactions Per Second，TPS)这个指标比较能说明问题，它代表着一秒内服务器平均能响应的请求总数，而TPS值与程序的并发能力有着非常密切的关系。

2.硬件的效率与一致性

　　由于计算机的存储设备与处理器的运算能力之间有几个数量级的差距，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：将运算需要使用到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没这样处理器就无需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的速度矛盾，但是引入了一个新的问题：缓存一致性（Cache Coherence）。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主存(Main Memory)，如下图所示,当多个处理器运算任务都涉及同一块主内存区域时。可能导致各自的缓存数据不一致，那同步回到主内存的时候应该以谁的缓存数据为准呢，需要一种协议可以保障数据的一致性，在读写的时候后按照协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI、MOSI及Dragon Protocol等。

　　除了增加高速缓存之外，为了使得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-Order Execution）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类似的指令重排序（Instruction Reorder）优化。 

3.Java内存模型(Java Memory Model,JMM)

　　Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型来屏蔽掉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性的并发效果。在此之前，主流程序语言直接使用物理硬件（或者说是操作系统的内存模型），因此会由于不同平台上内存模型的差异，导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另一套平台上并发访问却经常出错。定义Java内存模型并不是一件容易的事情，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、高速缓存等）来获取更好的执行速度。经过长时间的验证和修补，在JDK1.5发布后，Java内存模型就已经成熟和完善起来了。

3.1 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，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样底层细节。此处的变量与Java编程时所说的变量不一样，只包括了实例字段、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，后者是线程私有的，不会被共享，自然不存在竞争的问题。

　　Java内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory，虚拟机内存的一部分)中，每条线程还有自己的工作内存(Working Memory)（可以与前面将的处理器的高速缓存类比），线程的工作内存中保存了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（读取、赋值）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同线程之间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、主内存和工作内存的交互关系如下图所示，和上图很类似。

这里的主内存、工作内存与Java内存区域的Java堆、栈、方法区不是同一层次内存划分。

3.2 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拷贝到工作内存、如何从工作内存同步到主内存之间的实现细节，Java内存模型定义了以下8种操作来完成：

• lock(锁定)：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
• unlock(解锁)：作用于主内存变量，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)：作用于主内存变量，把一个变量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，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
• 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值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
• store(存储)：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
• write(写入)：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

　　如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺序执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也就是read和load之间，store和write之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，可能的顺序是read a，read b，load b， load a。Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现
• 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
• 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
• 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（load或assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
• 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，lock和unlock必须成对出现
• 如果对一个变量执行lock操作，将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执行load或assign操作初始化变量的值
• 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
• 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）。

 3.3 重排序

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器经常会对指令进行重排序。重排序分成三种类型：
(1)编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
(2)指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
(3)内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。
从Java源代码到最终实际执行的指令序列，会经过下面三种重排序：

为了保证内存的可见性，Java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。Java内存模型把内存屏障分为LoadLoad、LoadStore、StoreLoad和StoreStore四种：

3.4 对于volatile型变量的特殊规则

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制！但是它并不容易完全被正确、完整地理解，以至于许多程序员都习惯不去使用它，遇到需要处理多线程数据竞争问题的时候一律使用synchronized来进行同步。

当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性:

• 特性一、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，那么这个新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。如线程A修改了一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一条线程B在线程A回写完成之后再从主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。虽然volatile具有可见性，但是"基于volatile变量的运算在并发下是安全的"这个结论是不对的！volatile变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题，但是Java里面的运算并不是原子操作，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(不能保证原子性)，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁（使用synchronized或java.util.concurrent中的原子类）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。

• 特性二、禁止指令重排序优化

  普通的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。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义。

3.5 原子性、可见性与有序性

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3个特征来建立的，我们逐个来看一下哪些操作实现了这3个特性。

• 原子性(Atomicity)

  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write，我们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范围的原子性保证(经常会遇到)，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把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，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。

• 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。上文在讲解volatile变量的时候我们已详细讨论过这一点。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，无论是普通变量还是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是，volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此，可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

  除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，即synchronized和final。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内存中（执行store、write操作）”这条规则获得的，而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，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），那在其他线程中就能看见final字段的值。

• 有序性（Ordering）

  Java内存模型的有序性在前面讲解volatile时也详细地讨论过了，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“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics），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。

  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“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

3.6 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，那么有一些操作将会变得很烦琐，但是我们在编写Java并发代码的时候并没有感觉到这一点，这是因为Java语言中有一个“先行发生”（happens-before）的原则。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，依靠这个原则，我们可以通过几条规则一揽子地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。

先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作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。

“天然的”先行发生关系:

• 程序次序规则（Program Order Rule）

  在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说，应该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。

• 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”是指时间上的先后顺序。

• 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顺序。

• 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。

• 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（）方法结束、Thread.isAlive（）的返回值等手段检测到线程已经终止执行。

• 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。

• 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。

• 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。