Java內(nèi)存模型

主內(nèi)存和工作內(nèi)存

Java虛擬機(jī)規(guī)范中定義了Java內(nèi)存模型(Java Memory Model,JMM),用于屏蔽各種硬件和操作系統(tǒng)之間的內(nèi)存訪問差異,以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的并發(fā)效果丙笋，JMM規(guī)范了Java虛擬機(jī)與計(jì)算機(jī)內(nèi)存是如何協(xié)同工作的:規(guī)定了一個(gè)線程如何和何時(shí)可以看到由其他線程修改過后的共享變量的值御板，以及在必須時(shí)如何同步的訪問共享變量怠肋。
原始的Java內(nèi)存模型存在一些不足笙各，因此Java內(nèi)存模型在Java1.5時(shí)被重新修訂杈抢。這個(gè)版本的Java內(nèi)存模型在Java8中仍然在使用春感。
Java內(nèi)存模型（不僅僅是JVM內(nèi)存分區(qū)):調(diào)用棧和本地變量存放在線程棧上虏缸，對(duì)象存放在堆上刽辙。Java內(nèi)存模型定義了線程與主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系:線程之間的共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存中,每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存,本地內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程的讀/寫變量的副本宰缤。
Java的并發(fā)采用“共享內(nèi)存”模型朦乏，線程之間通過讀寫內(nèi)存的公共狀態(tài)進(jìn)行通訊氧骤。多個(gè)線程之間是不能通過直接傳遞數(shù)據(jù)交互的筹陵，它們之間交互只能通過共享變量實(shí)現(xiàn)朦佩。主要目的是定義程序中各個(gè)變量的訪問規(guī)則语稠。
JMM規(guī)定了所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存（Main Memory）中。每個(gè)線程還有自己的工作內(nèi)存（Working Memory）,線程的工作內(nèi)存中保存了該線程使用到的變量的主內(nèi)存的副本拷貝宙暇，線程對(duì)變量的所有操作（讀取占贫、賦值等）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行型奥，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量（volatile變量仍然有工作內(nèi)存的拷貝厢汹，但是由于它特殊的操作順序性規(guī)定烫葬，所以看起來如同直接在主內(nèi)存中讀寫訪問一般）凡蜻。不同的線程之間也無法直接訪問對(duì)方工作內(nèi)存中的變量划栓，線程之間值的傳遞都需要通過主內(nèi)存來完成忠荞。主內(nèi)存主要對(duì)應(yīng)Java堆中實(shí)例數(shù)據(jù)部分。工作內(nèi)存對(duì)應(yīng)于虛擬機(jī)棧中部分區(qū)域堂油。

棧和堆存放數(shù)據(jù)的不同:

一個(gè)本地變量可能是原始類型府框，在這種情況下寓免，它總是“呆在”線程棧上。

一個(gè)本地變量也可能是指向一個(gè)對(duì)象的一個(gè)引用撕予。在這種情況下实抡，引用（這個(gè)本地變量）存放在線程棧上吆寨，但是對(duì)象本身存放在堆上啄清。

一個(gè)對(duì)象可能包含方法辣卒，這些方法可能包含本地變量荣茫。這些本地變量仍然存放在線程棧上场靴，即使這些方法所屬的對(duì)象存放在堆上旨剥。

一個(gè)對(duì)象的成員變量可能隨著這個(gè)對(duì)象自身存放在堆上泞边。不管這個(gè)成員變量是原始類型還是引用類型疗杉。

靜態(tài)成員變量跟隨著類定義一起也存放在堆上祈争。

存放在堆上的對(duì)象可以被所有持有對(duì)這個(gè)對(duì)象引用的線程訪問秀仲。當(dāng)一個(gè)線程可以訪問一個(gè)對(duì)象時(shí)嗡午，它也可以訪問這個(gè)對(duì)象的成員變量。如果兩個(gè)線程同時(shí)調(diào)用同一個(gè)對(duì)象上的同一個(gè)方法荔睹，它們將會(huì)都訪問這個(gè)對(duì)象的成員變量僻他，但是每一個(gè)線程都擁有這個(gè)成員變量的私有拷貝。

Java線程之間的通訊由內(nèi)存模型JMM控制

JMM決定一個(gè)線程對(duì)變量的寫入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見满哪。

線程之間共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存中

每個(gè)線程有一個(gè)私有的本地內(nèi)存哨鸭，里面存儲(chǔ)了讀/寫共享變量的副本像鸡。

JMM通過控制每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互哈恰，來為程序員提供內(nèi)存可見性保證蕊蝗。

內(nèi)存間的交互

lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量蓬戚，把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占狀態(tài)。

unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存的變量豫喧，把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來紧显，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定孵班。

read（讀取）：作用于主內(nèi)存變量篙程，把主內(nèi)存的一個(gè)變量讀取到工作內(nèi)存中虱饿。

load（載入）：作用于工作內(nèi)存，把read操作讀取到工作內(nèi)存的變量載入到工作內(nèi)存的變量副本中

use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量渴肉，把工作內(nèi)存中的變量值傳遞給一個(gè)執(zhí)行引擎爽冕。

assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量扇售。把執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量承冰。

store（存儲(chǔ)）：把工作內(nèi)存的變量的值傳遞給主內(nèi)存

write（寫入）：把store操作的值入到主內(nèi)存的變量中

注意在使用指令的時(shí)候需要滿足下面的規(guī)則:

不允許read困乒、load、store迁霎、write操作之一單獨(dú)出現(xiàn)

不允許一個(gè)線程丟棄assgin操作

不允許一個(gè)線程不經(jīng)過assgin操作考廉，就把工作內(nèi)存中的值同步到主內(nèi)存中

一個(gè)新的變量只能在主內(nèi)存中生成

一個(gè)變量同一時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作昌粤。但lock操作可以被同一條線程執(zhí)行多次涮坐，只有執(zhí)行相同次數(shù)的unlock操作誓军，變量才會(huì)解鎖

如果對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行l(wèi)ock操作，將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值捷雕，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前，需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或者assgin操作初始化變量的值。

如果一個(gè)變量沒有被鎖定征绸，不允許對(duì)其執(zhí)行unlock操作管怠，也不允許unlock一個(gè)被其他線程鎖定的變量

對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前渤弛，需要將該變量同步回主內(nèi)存中

三大特性:原子性她肯、可見性和有序性

原子性

一個(gè)操作不能被打斷晴氨，要么全部執(zhí)行完畢碉输，要么不執(zhí)行敷钾。在這點(diǎn)上有點(diǎn)類似于事務(wù)操作阻荒，要么全部執(zhí)行成功侨赡，要么回退到執(zhí)行該操作之前的狀態(tài)辆毡〔耙矗基本類型數(shù)據(jù)的訪問大都是原子操作眨攘。

1.多線程與原子性
解決問題的方式:使用同步代碼塊、Java內(nèi)存模型提供了lock和unlock操作來滿足這種需求共螺。虛擬機(jī)提供了字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexist來隱式地使用這兩個(gè)操作藐不，這兩個(gè)字節(jié)碼指令反映到Java代碼中就是同步快——synchronized關(guān)鍵字雏蛮。

可見性

一個(gè)線程對(duì)共享變量做了修改之后，其他的線程立即能夠看到（感知到）該變量這種修改（變化）法梯。
Java內(nèi)存模型是通過將在工作內(nèi)存中的變量修改后的值同步到主內(nèi)存立哑，在讀取變量前從主內(nèi)存刷新最新值到工作內(nèi)存中刁憋，這種依賴主內(nèi)存的方式來實(shí)現(xiàn)可見性的至耻。

1.多線程讀同步與可見性
線程緩存導(dǎo)致的可見性問題:
如果兩個(gè)或者更多的線程在沒有正確的使用volatile聲明或者同步的情況下共享一個(gè)對(duì)象,在修改之后尘颓，CPU緩存沒有刷新到主內(nèi)存中,對(duì)象修改之后的版本對(duì)其他跑在其他CPU線程上的線程都是不可見的疤苹。這種方式導(dǎo)致每個(gè)線程擁有這個(gè)共享對(duì)象的私有拷貝,每個(gè)拷貝都停留在不同的CPU緩存中卧土。
解決方法:

正確使用volatile關(guān)鍵字:Java內(nèi)存模型是通過在變量修改后將新值同步回主內(nèi)存尤莺，在變量讀取前從主內(nèi)存刷新變量值這種依賴主內(nèi)存作為傳遞媒介的方式來實(shí)現(xiàn)可見性的生棍。普通變量與volatile變量的區(qū)別是：volatile的特殊規(guī)則保證了新值能立即同步到主內(nèi)存颤霎，以及每個(gè)線程在每次使用volatile變量前都立即從主內(nèi)存刷新。

synchronized關(guān)鍵字:同步塊的可見性是由“如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值友酱，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值”晴音、“對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中（執(zhí)行store和write操作）”這兩條規(guī)則獲得的缔杉。

final關(guān)鍵字:被final修飾的字段在構(gòu)造器中一旦被初始化完成锤躁，并且構(gòu)造器沒有把“this”的引用傳遞出去（this引用逃逸是一件很危險(xiǎn)的事情，其他線程有可能通過這個(gè)引用訪問到“初始化了一半”的對(duì)象）或详，那么在其他線程就能看見final字段的值（無須同步）系羞。

指令沖排序?qū)е碌目梢娦詥栴}
解決方法:可以使用volatile禁止指令重排序;使用synchronized來進(jìn)行加鎖保證互斥操作的順序

指令序列的排序分為:編譯器優(yōu)化的重排序;指令級(jí)優(yōu)化的重排序;內(nèi)存系統(tǒng)的重排序

有序性

在本線程內(nèi)觀察鸭叙，操作都是有序的勋乾；如果在一個(gè)線程中觀察另外一個(gè)線程，所有的操作都是無序的枝笨。前半句是指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行語義（WithIn Thread As-if-Serial Semantics）”,后半句是指“指令重排”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存和主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象徙融。
Java提供了兩個(gè)關(guān)鍵字volatile和synchronized來保證多線程之間操作的有序性,volatile關(guān)鍵字本身通過加入內(nèi)存屏障來禁止指令的重排序萨脑，而synchronized關(guān)鍵字通過一個(gè)變量在同一時(shí)間只允許有一個(gè)線程對(duì)其進(jìn)行加鎖的規(guī)則來實(shí)現(xiàn)。
在單線程程序中，不會(huì)發(fā)生“指令重排”和“工作內(nèi)存和主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象胸哥，只在多線程程序中出現(xiàn)银酬。

happen-before原則

與程序員密切相關(guān)的happens-before規(guī)則如下：

程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作宠哄，happens-before于該線程中任意的后續(xù)操作。

監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)一個(gè)鎖的解鎖操作，happens-before于隨后對(duì)這個(gè)鎖的加鎖操作。

volatile域規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile域的寫操作，happens-before于任意線程后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀淹遵。

傳遞性規(guī)則：如果 A happens-before B辐真，且 B happens-before C，那么A happens-before C。

硬件內(nèi)存架構(gòu)

現(xiàn)代硬件內(nèi)存模型與Java內(nèi)存模型有一些不同，理解內(nèi)存模型架構(gòu)以及Java內(nèi)存模型如何與它協(xié)同工作也是非常重要的。

多CPU

一個(gè)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通常由兩個(gè)或者多個(gè)CPU齐遵。其中一些CPU還有多核想许。從這一點(diǎn)可以看出，在一個(gè)有兩個(gè)或者多個(gè)CPU的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程是可能的。每個(gè)CPU在某一時(shí)刻運(yùn)行一個(gè)線程是沒有問題的。這意味著，如果你的Java程序是多線程的，在你的Java程序中每個(gè)CPU上一個(gè)線程可能同時(shí)（并發(fā)）執(zhí)行。

CPU寄存器

每個(gè)CPU都包含一系列的寄存器，它們是CPU內(nèi)內(nèi)存的基礎(chǔ)。CPU在寄存器上執(zhí)行操作的速度遠(yuǎn)大于在主存上執(zhí)行的速度。這是因?yàn)镃PU訪問寄存器的速度遠(yuǎn)大于主存。

高速緩存cache

由于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備與處理器的運(yùn)算速度之間有著幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差距，所以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都不得不加入一層讀寫速度盡可能接近處理器運(yùn)算速度的高速緩存（Cache）來作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖：將運(yùn)算需要使用到的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中续扔，讓運(yùn)算能快速進(jìn)行善已，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束后再從緩存同步回內(nèi)存之中洒扎，這樣處理器就無須等待緩慢的內(nèi)存讀寫了煌恢。CPU訪問緩存層的速度快于訪問主存的速度，但通常比訪問內(nèi)部寄存器的速度還要慢一點(diǎn)婿着。每個(gè)CPU可能有一個(gè)CPU緩存層挡篓，一些CPU還有多層緩存楼吃。在某一時(shí)刻炕置，一個(gè)或者多個(gè)緩存行（cache lines）可能被讀到緩存贩疙，一個(gè)或者多個(gè)緩存行可能再被刷新回主存癞尚。

內(nèi)存

一個(gè)計(jì)算機(jī)還包含一個(gè)主存胳徽。所有的CPU都可以訪問主存往核。主存通常比CPU中的緩存大得多蝶缀。

運(yùn)作原理

通常情況下，當(dāng)一個(gè)CPU需要讀取主存時(shí)税娜，它會(huì)將主存的部分讀到CPU緩存中弧岳。它甚至可能將緩存中的部分內(nèi)容讀到它的內(nèi)部寄存器中乐设，然后在寄存器中執(zhí)行操作嘹承。當(dāng)CPU需要將結(jié)果寫回到主存中去時(shí)窗价，它會(huì)將內(nèi)部寄存器的值刷新到緩存中，然后在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)將值刷新回主存叹卷。

硬件內(nèi)存架構(gòu)帶來的問題

緩存一致性問題

在多處理器系統(tǒng)中撼港，每個(gè)處理器都有自己的高速緩存坪它，而它們又共享同一主內(nèi)存（MainMemory）〉勰担基于高速緩存的存儲(chǔ)交互很好地解決了處理器與內(nèi)存的速度矛盾往毡，但是也引入了新的問題：緩存一致性（CacheCoherence）。當(dāng)多個(gè)處理器的運(yùn)算任務(wù)都涉及同一塊主內(nèi)存區(qū)域時(shí)靶溜，將可能導(dǎo)致各自的緩存數(shù)據(jù)不一致的情況开瞭，如果真的發(fā)生這種情況，那同步回到主內(nèi)存時(shí)以誰的緩存數(shù)據(jù)為準(zhǔn)呢罩息？為了解決一致性的問題嗤详，需要各個(gè)處理器訪問緩存時(shí)都遵循一些協(xié)議，在讀寫時(shí)要根據(jù)協(xié)議來進(jìn)行操作瓷炮，這類協(xié)議有MSI葱色、MESI（IllinoisProtocol）、MOSI娘香、Synapse苍狰、Firefly及DragonProtocol等等。

指令重排序問題

為了使得處理器內(nèi)部的運(yùn)算單元能盡量被充分利用烘绽，處理器可能會(huì)對(duì)輸入代碼進(jìn)行亂序執(zhí)行（Out-Of-Order Execution）優(yōu)化舞痰，處理器會(huì)在計(jì)算之后將亂序執(zhí)行的結(jié)果重組，保證該結(jié)果與順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的诀姚，但并不保證程序中各個(gè)語句計(jì)算的先后順序與輸入代碼中的順序一致响牛。因此，如果存在一個(gè)計(jì)算任務(wù)依賴另一個(gè)計(jì)算任務(wù)的中間結(jié)果赫段，那么其順序性并不能靠代碼的先后順序來保證呀打。與處理器的亂序執(zhí)行優(yōu)化類似，Java虛擬機(jī)的即時(shí)編譯器中也有類似的指令重排序（Instruction Reorder）優(yōu)化