Java内存模型

1、概述

1）多任务处理在现代计算机操作系统中几乎已是一项必备的功能，处理器在大部分时间里都处于等待其他资源的状态，让计算机同时处理几项任务则是非常有效的“压榨”处理器资源手段。

2）对于计算量相同的任务，程序线程并发协调得越有条不紊，效率自然就会越高；反之，线程之间频繁阻塞甚至死锁，将会大大降低程序的并发能力。

3）了解并发的内幕也是成为一个高级程序员不可缺少的能力。

2、硬件的效率与一致性

1）由于计算机的存储设备与处理器的运算速度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告诉缓存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，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。

2）缓存一致性

3）Java虚拟机的即时编译器含有指令重排序优化：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。

3、Java内存模型

1）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程序在各种平台上都能达到一致的内存访问效果。

2）经过长时间的验证和修补，在JDK1.5发布后，Java内存模型已经成熟和完善起来。

3.1、主内存与工作内存

1）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在内存和从内存中去除变量这样的底层细节。

PS：a）此处的变量与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。

      b）为了获得较好的执行效能，Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互，也没有限制即时编译器进行调整代码执行顺序这类优化措施。

2）Java内存模型规定类所有的变量都存储在住内存中。每条线程还有自己的工作内存，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，而不能直接读取主内存中的变量。

3）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住内存来完成，线程、住内存、工作内存三者的交互关系如图所示：

 

4）这里所讲的主内存、工作内存与Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存划分，这两者基本上是没有关系的。

3.2、内存间交互操作

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，虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的。

1）lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。

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内。

5）use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中的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，它把工作内存中的一个变量的值传送到住内存中，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。

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序地执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行store和write操作。注意，Java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，而没有保证是连续执行。也就是说，read和load之间、store和write之间是可插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现顺序是read a、read b、load b、load a。除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则。

1）不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起回写但主内存不接受的情况出现。

2）不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。

3）不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回住内存中。

4）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，换句话说，就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。

5）一个变量在同一个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，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。

6）如果对一个变量执行lock操作，那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。

7）如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。

8）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8种内存访问操作以及上述规则限定，再加上稍后介绍的对volatile的一些特殊规定，就已经完全确定了Java程序中哪些内存访问操作在并发下是安全的。由于这种定义相当严谨但又十分繁琐，实践起来很麻烦，所以定义一个等效判断原则--先行发生原则，用来确定一个访问在并发环境下是否安全。

4、对于volatitle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，第一是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，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，例如，线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一个线程B在线程A回写完成了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。

由于volatile变量只能保证可见性，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。

1）运算结果并不依赖于变量的当前值，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。

而像如下的代码清单所示的这类场景就很适合使用volatile变量来控制并发，当shutdown()方法被调用时，能保证所有线程中执行的doWork()方法都立即停下来。

public class VolatileTest {
    volatile boolean shutdownRequested;

    public void shutDown() {
        shutdownRequested = true;
    }

    public void doWork() {
        while (!shutdownRequested) {
            // do stuff
        }
    }
}

使用volatile变量的第二个语义是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“线程内表现为串行的语义”。

上面的描述仍然不太容易理解，我们还是继续通过一个例子来看看为何指令重排序会干扰程序的并发执行，演示程序如下：

public class VolatileTest1 {
    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，当读取完成之后将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();
}

代码中的程序是一段伪代码，其中描述的场景十分常见，只是我们在处理配置文件时一般不会出现并发而已。如果定义initialized变量时没有使用volatile修饰，就可能会由于指令重排序的优化，导致位于线程A中最后一句的代码“initialized=true”被提前执行，这样在线程B中使用配置信息的代码就可能出现错误，而volatile关键字则可以避免此类情况的发生。

volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没什么差别，但是写操作则可能会慢一些，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不会发生乱序执行。不过即便如此，大多数场景下volatile的总开销仍然要比锁低，我们在volatile与锁之中选择的唯一依据仅仅是volatile的语义是否满足使用场景的需求。

回头看一下Java内存模型中对volatile变量定义的特殊规则。假定T标识一个线程，V和W分别表示两个volatile型变量，那么在进行read、load、use、assign、store和write操作时需要满足如下规则：

1）只有当线程T对变量V执行的前一个动作是load的时候，线程T才能对变量V执行use动作；并且，只有线程T对变量V执行的后一个动作是use的时候，线程T才能对变量V执行load动作。

PS：线程T对变量V的use动作可以认为是和线程T对变量V的load、read动作相关联，必须连续一起出现（这条规则要求在工作内存中，每次使用V前都必须先从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对变量V所做的修改后的值）。

2）只有当线程T对变量V执行的前一个动作是assign的时候，线程T才能对变量V执行store动作；并且，只有当线程T对变量V执行的后一个动作是store的时候，线程T才能对变量V执行assign动作。

PS：线程T对变量V的assign动作可以认为是和线程T对变量V的store、write动作相关联，必须连续一起出现（这条规则要求在工作内存中，每次修改V后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程可以看到自己对变量V所做的修改）。

3）假定动作A是线程T对变量V实施的use或assign动作，假定动作F是和动作A相关联的load或store动作，假定动作P是和动作F相应的对变量V的read或write动作；类似的，假定动作B是线程T对变量W实施的use或assign动作，假定动作G是和动作B相关联的load或store动作，假定动作Q是和动作G相应的对变量W的read或write动作。如果A先于B，那么P现有Q（这条规则要求volatile修改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的顺序相同）。

5、对于long和double型变量的特殊规则

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这8个操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型（long和double），在模型中特别定义类一条相对宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这4个操作的原子性，这点就是所谓的long和double的非原子性协定。

如果有多个线程共享一个并未声明为volatile的long或double类型的变量，并且同时对它们进行读取和修改操作，那么某些线程可能会读取到一个既非原值，也不是其他线程修改值的代表了“半个变量”的数值。

不过这种读取到“半个变量”的情况非常罕见，因为Java内存模型虽然允许虚拟器不把long和double变量的读写实现成原子操作，但允许虚拟机选择把这些操作实现为具有原子性的操作，而且还“强烈建议”虚拟机这样实现。在实际开发中，目前各种平台下的商用虚拟机几乎都选择把64位数据的读写操作作为原子操作来对待，因此我们在编写代码是一般不需要把用到的long和double变量专门声明为volatile。

6、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（例外就是long和double的非原子性协定）。

如果应用场景需要一个更大范围的原子性操作（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代码中就是同步快---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。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，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），那在其他线程中就能看见final字段的值。如下代码所示，变量i和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 class FinalTest {
    public static final int i;
    public final int j;
    static {
        i = 0;
        // do something
    }
    {
        // 也可以选择在构造函数中初始化
        j = 0;
        // do something
    }
}

 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”，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，这条规则决定类持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

7、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来完成的，那么有一些操作将会变得很繁琐，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。

现在就来看看“先行发生“原则指的是什么。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。这句话不难理解，但它意味着什么呢？我们可以举个例子来说明一下，如代码清单所示的这3句伪代码。

//以下操作在线程A中执行
i=1;

//以下操作在线程B中执行
j=i;

//以下操作在线程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"，那么可以确定在线程B的操作执行后，变量j的值一定等于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和线程B之间的先行发生关系，而线程C出现在线程A和线程B的操作之间，但是线程C与线程B没有先行发生关系，那么j的值会是多少呢？答案是不确定！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。

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，它们就没有顺序行保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序。

1）程序次序规则（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。

2）管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：在一个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（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。

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（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。

Java语言无须任何同步手段保障就能成立的先行发生规则就只有上面这些了，让我们来演示一下如何使用这些规则去判定操作间是否具备顺序行，对于读写共享变量的操作来说，就是线程是否安全，读者还可以从下面这个例子中感受一下”时间上的先后顺序“与”先行发生“之间有什么不同。演示例子如下所示。

    private int value = 0;

    public void setValue(int value) {
        this.value = value;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }

代码中显示的是一组再普通不过的getter/setter方法，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和线程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。因为没有一个使用的先行发生规则，所以最后一条传递性与无从谈起，因此我们可以判定尽管线程A在操作时间上先行于线程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：要么把getter/setter方法都定义为synchronized方法，这样就可以套用管程锁定规则；要么把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。

通过上面的例子，我们可以得出结论：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？很遗憾，这个推论也不是成立的，一个典型的例子就是多次提到的“指令重排序”，演示例子如下所示：

//以下操作在同一个线程中执行
int i=1;
int j=2;

以上的两条赋值语句在同一个线程之中，根据程序次序规则，“int i=1”的操作先行发生于“int j=2”，但是“int j=2”的代码完全可能先被处理器执行，这并不影响先行发生原则的正确性，因为我们在这条线程之中没有办法感知到这点。

上面两个例子综合起来证明一个结论：时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系，所以我们衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。