[jvm]java内存模型

一、java内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model,JMM）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的内存访问效果。

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
物理硬件时的主内存名字一样，两者也可以互相类比，但此处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，可与操作系统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、赋值等）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。

二、工作内存和主内存之间的交互

• 关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，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回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成：

1. lock (锁定)：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一个线程独占的状态。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
6. 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，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。
7. 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，以便随后的write操作使用。
8. 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。

注：read和load操作、store和write操作必须成对出现，顺序执行。要求顺序执行，而不是要求连续执行。也就是在这成对的操作当中可以插入其他操作。

• 对于long和double型变量的特殊规则
  java内存模型要求以上8个操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型long和double，如果没有用volatile修饰，虚拟机则分为两次来执行读写操作，即不能保证这两种数据类型操作的原子性。但是也不用担心。虽然java虚拟机不要求保证它们的原子性，但是我们常见的商用虚拟机实现了对这两的原子性操作。

三、volatile 关键字

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。

• 应用场景一：控制线程停止
  当一个变量定义为volatile之后，保证了该变量对所有线程的“可见性”。可见性是指当一个线程修改了变量的值后，对于其他线程来说是立即可见的。但是有一个需要注意的问题，volatile修饰的变量在多线程中可以保证可见性，但是不能保证运算的原子性。因此我们一般可以利用这个特性来控制线程的停止。如下代码：

		volatile boolean shutdownRequested；
		public void shutdown（）{
			shutdownRequested=true；
		}
		public void doWork（）{
			while（！shutdownRequested）{
			//do stuff
		}}

应用场景二：禁止指令重排优化

Map configOptions；
char[] configText；
//此变量必须定义为volatile
volatile boolean initialized=false；
//假设以下代码在线程A中执行
//模拟读取配置信息，当读取完成后将initialized设置为true以通知其他线程配置可用
configOptions=new HashMap（）；
configText=readConfigFile（fileName）；
processConfigOptions（configText,configOptions）；
initialized=true；
//假设以下代码在线程B中执行
//等待initialized为true，代表线程A已经把配置信息初始化完成
while（！initialized）{
	sleep（）；
}/
/使用线程A中初始化好的配置信息
doSomethingWithConfig（）；

四、原子性、可见性、有序性

总体回顾java的内存模型，无外乎围绕着并发过程中的如何处理原子性，可见性，有序性这三个特征来建立的，在这里一一总结一下：

1. 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（例外就是long和double的非原子性协定，我们只要知道这件事情就可以了，无须太过在意这些几乎不会发生的例外情况）。如果我们还需要更大范围的原子性保证，java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管我们不能只能操作这两个指令，但是我们在代码中使用的synchronized关键字就是间接的使用，因此synchronized块之间的操作也具备原子性。
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。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。如下代码，变量i与j都具备可见性，它们无须同步就能被其他线程正确访问。

public static final int i；
public final int j；
//静态代码块中初始化
static{
	i=0；
	//do something
}
{
	//也可以选择在构造函数中初始化
	j=0；
	//do
}

3. 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。

五、先行发生原则

• java语言中有一个“先行发生”的原则，它是判断数据是否竞争、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。
  

• 下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系，这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来的话，它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序。

  1. 程序次序规则：在同一个线程内，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。
  2. 管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。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。
  3. volatile变量规则：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。
  4. 线程启动规则：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：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。
  6. 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，可以通过Thread.interrupted（）方法检测到是否有中断发生。
  7. 线程终结规则：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：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。