Java内存模型(转载)

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。一般衡量一个服务器性能的高低好坏，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数，而TPS值与程序的并发能力有着非常密切的关系。在讨论Java内存模型和线程之前，先简单介绍一下硬件的效率与一致性。

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，而他们又共享同一主存，如下图所示：多个处理器运算任务都涉及同一块主存，需要一种协议可以保障数据的一致性，这类协议有MSI、MESI、MOSI及Dragon Protocol等。Java虚拟机内存模型中定义的内存访问操作与硬件的缓存访问操作是具有可比性的，后续将介绍Java内存模型。

除此之外，为了使得处理器内部的运算单元能竟可能被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱起执行（Out-Of-Order Execution）优化，处理器会在计算之后将对乱序执行的代码进行结果重组，保证结果准确性。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 Recorder）优化。

3.Java内存模型

　　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的并发操作不会产生歧义；但是，也必须得足够宽松，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，指包括了实例字段、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。

　　Java内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存（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到主内存副本拷贝，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在主内存来完成，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八种操作来完成：

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，就需要按顺寻地执行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：

编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义放入前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
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。
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 同步机制

介绍volatile、synchronized和final

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volatile

volatile 定义的变量，特殊性在于：

一个线程对 volatile 变量的写一定对之后对这个变量的读的线程可见。

等价于

一个线程对 volatile 变量的读一定能看见在它之前最后一个线程对这个变量的写。

为了实现这些语义，Java 规定，（1）当一个线程要使用共享内存中的 volatile 变量时，如图中的变量a，它会直接从主内存中读取，而不使用自己本地内存中的副本。（2）当一个线程对一个 volatile 变量进行写时，它会将这个共享变量的值刷新到共享内存中。

我们可以看到，其实 volatile 变量保证的是一个线程对它的写会立即刷新到主内存中，并置其它线程的副本为无效，它并不保证对 volatile 变量的操作都是具有原子性的。

由于

 public void add(){
     a++;         #1
 }

等价于

 public void add() {
    temp = a;        
    temp = temp +1;  
    a = temp;         
 }

代码1并不是一个原子操作，所以类似于 a++ 这样的操作会导致并发数据问题。

volatile 变量的写可以被之后其他线程的读看到，因此我们可以利用它进行线程间的通信。如

volatile int a;

public void set(int b) {
    a = b; 
}

public void get() {
    int i = a; 
}

线程A执行set()后，线程B执行get()，相当于线程A向线程B发送了消息。

synchronized

如果我们非要使用 a++ 这种复合操作进行线程间通信呢？java 为我们提供了synchronized。

 public synchronized void add() {
    a++; 
 }

synchronized 使得

它作用范围内的代码对于不同线程是互斥的，并且线程在释放锁的时候会将共享变量的值刷新到共享内存中。

我们可以利用这种互斥性来进行线程间通信。看下面的代码，

public synchronized void add() {
    a++; 
}

public synchronized void get() {
    int i = a; 
}

当线程A执行 add()，线程B调用get()，由于互斥性，线程A执行完add()后，线程B才能开始执行get()，并且线程A执行完add()，释放锁的时候，会将a的值刷新到共享内存中。因此线程B拿到的a的值是线程A更新之后的。

volatile 和 synchronized比较

根据以上的分析，我们可以发现volatile和synchronized有些相似。

当线程对 volatile变量写时，java 会把值刷新到共享内存中；而对于synchronized，指的是当线程释放锁的时候，会将共享变量的值刷新到主内存中。
线程读取volatile变量时，会将本地内存中的共享变量置为无效；对于synchronized来说，当线程获取锁时，会将当前线程本地内存中的共享变量置为无效。
synchronized 扩大了可见影响的范围，扩大到了synchronized作用的代码块。

final 变量

final关键字可以作用于变量、方法和类，我们这里只看final 变量。

final变量的特殊之处在于，

final 变量一经初始化，就不能改变其值。

这里的值对于一个对象或者数组来说指的是这个对象或者数组的引用地址。因此，一个线程定义了一个final变量之后，其他任意线程都拿到这个变量。但有一点需要注意的是，当这个final变量为对象或者数组时，

虽然我们不能讲这个变量赋值为其他对象或者数组，但是我们可以改变对象的域或者数组中的元素。
线程对这个对象变量的域或者数据的元素的改变不具有线程可见性。

总结

有时候，我们在学习一门技术过程中，并不能仅仅局限于怎么用，知道怎么用之后，我们应该深入的探究一下，为什么这么用之后就能得到我们想要的结果呢？既要知其然，更要知其所以然。

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3.5 原子性、可见性与有序性

介绍三个特性

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Java内存模型是围绕着并发过程中如何处理原子性、可见性、有序性这三个特征来建立的，下面是这三个特性的实现原理：

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、use、assign、store和write六个，大致可以认为基础数据类型的访问和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，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与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来隐匿地使用这两个操作，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。

2.可见性(Visibility)

可见性就是指当一个线程修改了线程共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。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法来实现可见性的，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，以及每使用前立即从内存刷新。因为我们可以说volatile保证了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，它们是synchronized。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和write操作)”这条规则获得的，而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段是构造器一旦初始化完成，并且构造器没有把“this”引用传递出去，那么在其它线程中就能看见final字段的值。

3.有序性(Ordering)

Java内存模型中的程序天然有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存主主内存同步延迟”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”这条规则来获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

先行发生原则：

如果Java内存模型中所有的有序性都只靠volatile和synchronized来完成，那么有一些操作将会变得很啰嗦，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”(Happen-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赖。

先行发生原则是指Java内存模型中定义的两项操作之间的依序关系，如果说操作A先行发生于操作B，其实就是说发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包含了修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。它意味着什么呢？如下例：

//线程A中执行
i = 1;

//线程B中执行
j = i;

//线程C中执行
i = 2;

假设线程A中的操作”i=1“先行发生于线程B的操作”j=i“，那么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，结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登场之前，线程A操作结束之后没有其它线程会修改变量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，而线程C出现在线程A和B操作之间，但是C与B没有先行发生关系，那么j的值可能是1，也可能是2，因为线程C对应变量i的影响可能会被线程B观察到，也可能观察不到，这时线程B就存在读取到过期数据的风险，不具备多线程的安全性。

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，虚拟机可以对它们进行随意地重排序。

a.程序次序规则(Pragram 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、循环结构。

b.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。

c.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取操作，这里的”后面“同样指时间上的先后顺序。

d.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。

e.线程终于规则(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()的返回值等作段检测到线程已经终止执行。

f.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()方法检测是否有中断发生。

g.对象终结规则(Finalizer Rule)：一个对象初始化完成(构造方法执行完成)先行发生于它的finalize()方法的开始。

g.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。

一个操作”时间上的先发生“不代表这个操作会是”先行发生“，那如果一个操作”先行发生“是否就能推导出这个操作必定是”时间上的先发生“呢？也是不成立的，一个典型的例子就是指令重排序。所以时间上的先后顺序与先生发生原则之间基本没有什么关系，所以衡量并发安全问题一切必须以先行发生原则为准。