學(xué)號(hào)：20021211189? ? ? ?姓名：趙治偉

【嵌牛導(dǎo)讀】JMM(Java內(nèi)存模型)源于物理機(jī)CPU架構(gòu)的內(nèi)存模型，最初用于解決MP(多處理器架構(gòu))系統(tǒng)中的緩存一致性問題提针，而JVM為了屏蔽與各個(gè)硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存訪問機(jī)制的差異化，提出了JMM的概念竣贪。Java內(nèi)存模型是一種虛擬機(jī)規(guī)范伏恐，JMM規(guī)范了Java虛擬機(jī)與計(jì)算機(jī)內(nèi)存時(shí)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，以及在必須時(shí)如何同步的訪問共享變量老玛。

【嵌牛鼻子】JMM內(nèi)存模型

【嵌牛正文】

Java內(nèi)存模型和操作系統(tǒng)內(nèi)存模型的關(guān)系

內(nèi)存模型和操作系統(tǒng)內(nèi)存模型的關(guān)系

Java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序中各個(gè)變量的訪問規(guī)則，此處提到的變量只包含實(shí)例對(duì)象钧敞、靜態(tài)對(duì)象和構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素（堆和方法區(qū)中共享的部分）蜡豹，局部變量和方法參數(shù)是線程私有的，不會(huì)共享溉苛。當(dāng)然不會(huì)存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問題镜廉。

JMM規(guī)定了所有變量存儲(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）愚战，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)存的副本拷貝桨吊，線程對(duì)變量的所有操作（讀取威根、賦值等）都必須在工作內(nèi)存進(jìn)行，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)存的拷貝视乐，由于它特殊性的操作順序規(guī)定，所以看起來如同直接在主內(nèi)存中讀寫訪問一般）敢茁。不同線程之間也無法直接訪問對(duì)方工作內(nèi)存中的變量佑淀，線程之間值的傳遞都需要通過主內(nèi)存來完成。

對(duì)于JMM與JVM本身的內(nèi)存模型彰檬，參照《深入理解Java虛擬機(jī)》的解釋伸刃，主內(nèi)存、工作內(nèi)存與Java內(nèi)存區(qū)域中的Java堆逢倍、棧捧颅、方法區(qū)等并不是同一個(gè)層次的內(nèi)存劃分。如果兩者一定要勉強(qiáng)對(duì)應(yīng)起來较雕，那從變量碉哑、主內(nèi)存、工作內(nèi)存的定義來看亮蒋，主內(nèi)存對(duì)應(yīng)于Java堆中對(duì)象的實(shí)例數(shù)據(jù)部分扣典，而工作內(nèi)存則對(duì)應(yīng)虛擬機(jī)中的局部變量表，寄存器對(duì)應(yīng)著操作數(shù)棧慎玖。

Java內(nèi)存的抽象結(jié)構(gòu)

Java 線程之間的通信由JMM控制贮尖，JMM決定一個(gè)線程對(duì)共享變量寫入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見。從抽象的角度來看趁怔，JMM定義了線程和主內(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(Main Memory)中湿硝，每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存（Local Memory），本地內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程共享變量的副本润努。本地內(nèi)存是一個(gè)抽象概念关斜，它涵蓋了緩存、寫緩沖區(qū)任连、寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化蚤吹。Java內(nèi)存模型的抽象示意如圖所示：

內(nèi)存模型示意圖

線程A與線程B之間要通信的話，必須要經(jīng)歷兩個(gè)步驟随抠。

1.線程A把本地內(nèi)存中更新過的共享變量刷新到主內(nèi)存中去裁着。

2.線程B到主內(nèi)存中區(qū)讀取線程A之前已經(jīng)更新過的共享變量。

4.指令重排

計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)拱她，為了提高性能二驰，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令做重排，一般分為以下3種

編譯器優(yōu)化的重排：編譯器在不改變單線程程序語義的前提下秉沼，可以重新安排語句的執(zhí)行順序桶雀。

指令并行的重排：處理器采用指令級(jí)并行技術(shù)來將多條指令并行執(zhí)行矿酵，如果不存在后一個(gè)執(zhí)行語句依賴前面執(zhí)行語句的情況，處理器可以改變語句對(duì)應(yīng)的機(jī)器指令的執(zhí)行順序矗积。

內(nèi)存系統(tǒng)的重排：由于處理器使用緩存和讀寫緩沖區(qū)全肮，這使得加載和存儲(chǔ)操作看上去是亂序執(zhí)行的。因?yàn)槿?jí)緩存的存在棘捣，導(dǎo)致內(nèi)存與緩存的數(shù)據(jù)同步存在時(shí)間差辜腺。

其中編譯器的重排優(yōu)化屬于編譯期重排，指令并行的重排和內(nèi)存系統(tǒng)的重排屬于處理器重排乍恐，這些重排優(yōu)化可能會(huì)導(dǎo)致程序出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題评疗。

JMM內(nèi)存模型作用

JMM是圍繞著程序執(zhí)行的原子性、有序性茵烈、可見性展開的百匆，它是如何保證這三種特性的呢？

我們先了解下這三種特性呜投。

1.原子性

在Java中加匈，java內(nèi)存模型只保證對(duì)基本數(shù)據(jù)類型變量的讀取和賦值操作是原子性操作（long、double）除外宙彪，即這些操作是不可被中斷的矩动，要么全部執(zhí)行，要么不執(zhí)行释漆。例如下面代碼

x = 10;? y = x;x++;x = x + 1;

只有x= 10;是原子性操作悲没，其他三個(gè)語句都不是原子性操作。

x = 10;是直接將數(shù)值10賦給x男图，也就是說線程執(zhí)行這個(gè)語句會(huì)直接將數(shù)值10寫入到工作內(nèi)存中示姿。

y = x ;包含兩個(gè)操作，它先要去讀取x的值逊笆，再將x的值賦值給y寫入工作內(nèi)存栈戳。雖然讀取x的值以及將y的值寫入工作內(nèi)存這兩個(gè)操作都是原子性操作狰闪，但是合起來就不是原子性操作了熬尺。

同樣的 x++和x = x+1;包括三個(gè)操作忆蚀，讀取x的值程储，進(jìn)行加1操作，寫入新的值严就。

所以念颈，上面4個(gè)語句中有x = 10搀军；的操作具備原子性症虑。也就是說缩歪，只有簡單的讀取、賦值才是原子操作谍憔。（而且必須是將基礎(chǔ)類型常量賦值給某個(gè)變量匪蝙，變量之間的相互賦值不是原子操作）

2.可見性

每個(gè)線程會(huì)在自己的工作內(nèi)存來操作共享變量主籍，操作完成之后將工作內(nèi)存中的副本寫回主內(nèi)存，并且在其他線程從主內(nèi)存將變量同步回自己的工作內(nèi)存之前逛球，共享變量的改變對(duì)其他線程是不可見的千元。

當(dāng)一個(gè)線程修改了共享變量的值，其他線程能夠立即得知這個(gè)修改后的值需忿，JMM通過在變量修改后將新值同步回主內(nèi)存诅炉，其他線程在變量讀取前從主內(nèi)存讀取新值刷新到工作內(nèi)存。這種依賴主內(nèi)存作為傳遞媒介的方法來實(shí)現(xiàn)可見性屋厘。

volatile之可見性

當(dāng)一個(gè)共享變量被volatile修飾時(shí)，它會(huì)保證當(dāng)前線程修改的值立即被更新到主存月而。

其他線程工作內(nèi)存中的變量會(huì)強(qiáng)制立即失效汗洒，當(dāng)其他線程需要讀取時(shí)，回去主內(nèi)存中讀取最新值父款。

而普通的共享變量不能保證可見性溢谤，因?yàn)槠胀ü蚕碜兞勘恍薷暮螅裁磿r(shí)候被寫入主存是不確定的憨攒，當(dāng)其他線程去讀取時(shí)世杀，此時(shí)內(nèi)存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性肝集。

3.有序性

在Java內(nèi)存模型中瞻坝，允許編譯器和處理器對(duì)指令進(jìn)行重排序，重排序過程不會(huì)影響到單線程的執(zhí)行杏瞻，卻會(huì)影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性所刀。

例子：指令重排導(dǎo)致DCL失效

publicclassSingleton{// 指向自己實(shí)例的私有靜態(tài)引用privatestaticSingletoninstance=null;// 私有的構(gòu)造方法privateSingleton(){}// 以自己實(shí)例為返回值的靜態(tài)的公有方法，靜態(tài)工廠方法publicstaticSingletongetInstance(){// 被動(dòng)創(chuàng)建捞挥，在真正需要使用時(shí)才去創(chuàng)建if(instance==null){//同一時(shí)刻只有一個(gè)線程進(jìn)入同步塊執(zhí)行創(chuàng)建對(duì)象synchronzied(Singleton.class){if(instance==null){instance=newSingleton();}}}returninstance;}}

看似簡單的一行賦值語句：instance = new Singleton();其實(shí)內(nèi)部已經(jīng)轉(zhuǎn)為多條指令浮创。

memory=allocate();//分配內(nèi)存ctorInstance(memory);//初始化對(duì)象instance=memory;//設(shè)置instance引用指向剛才分配的內(nèi)存地址

但是有可能經(jīng)過指令重排后如下

memory=allocate();//分配內(nèi)存instance=memory;//設(shè)置instance引用指向剛才分配的內(nèi)存地址ctorInstance(memory);//初始化對(duì)象

可以看到指令重排后，instance指向分配好的內(nèi)存放在了前面砌函，在線程A初始化完成這段內(nèi)存之前斩披，線程B雖然進(jìn)不去同步代碼塊，但是在同步代碼塊之前的判斷就會(huì)發(fā)現(xiàn)instance不為空讹俊，此時(shí)線程B獲得一個(gè)不完整（未初始化）的 Singleton 對(duì)象進(jìn)行使用就可能發(fā)生錯(cuò)誤垦沉。

volatile之有序性

原理：volatile的可見性和有序性都是通過加入內(nèi)存屏障來實(shí)現(xiàn)。

會(huì)在寫之后加入一條store屏障指令劣像，將本地內(nèi)存中值刷新到主內(nèi)存乡话。

會(huì)在讀之前加入一條load屏障指令，從主內(nèi)存中讀取共享變量耳奕。

synchronized 之有序性

JMM中有一條關(guān)于synchronized的規(guī)則：一個(gè)變量在同一時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock绑青。這條規(guī)則決定了同步塊中的操作相當(dāng)于單線程執(zhí)行诬像。

as if serial ：不管怎么重排序，單線程的執(zhí)行結(jié)果不能被改變闸婴。編譯器和處理器都必須遵守as if serial語義坏挠。也就是說上面的重排序不會(huì)影響到單線程程序的執(zhí)行，所以堆外就表現(xiàn)出了有序性邪乍。

JMM提供的解決方案

在理解了原子性降狠、可見性、順序性后庇楞，我們看看JMM如何保證這三種特性榜配。

1.除了JVM自身提供的對(duì)基本數(shù)據(jù)類型讀寫操作的原子性外，對(duì)于方法級(jí)別或者代碼塊級(jí)別的原子性操作吕晌，可以使用synchronized 或者lock接口蛋褥，保證程序執(zhí)行的原子性。

2.而工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲導(dǎo)致的可見性問題睛驳，可以使用synchronized 或者volitile 關(guān)鍵字解決烙心，他們都可以使一個(gè)線程修改后的變量對(duì)其他線程立即可見。

3.對(duì)于指令重排導(dǎo)致的有序性問題乏沸，可以使用volitile 或者synchronized關(guān)鍵字解決淫茵，volatile另外一個(gè)作用是禁止指令重排，synchronized會(huì)變成單線程操作 as if serial保證了結(jié)果的一致性蹬跃。

4.除了靠synchronized 和volatile 關(guān)鍵字來保證有序性匙瘪、原子性、可見性外炬转，JMM內(nèi)部還定義了一套happens-before原則來保證多線程環(huán)境下兩個(gè)操作的原子性辆苔、可見性、順序性扼劈。

happens-before

倘若在開發(fā)中驻啤，僅靠synchronized和volatile來保證順序性、原子性荐吵、可見性骑冗。那么編寫并發(fā)程序會(huì)十分麻煩。在Java內(nèi)存模型中先煎，還提供了happens-before原則來輔助保證程序執(zhí)行的原子性贼涩、可見性、有序性的問題薯蝎。它是判斷數(shù)據(jù)是否存在競(jìng)爭(zhēng)遥倦，線程是否安全的依據(jù)。happens-before原則內(nèi)容如下：

程序順序原則占锯，即在一個(gè)線程內(nèi)必須保證語義串行性袒哥，也就是說按照代碼順序執(zhí)行缩筛。

鎖規(guī)則 解鎖(unlock)操作必然發(fā)生在后續(xù)的同一個(gè)鎖的加鎖(lock)之前，也就是說堡称，如果對(duì)于一個(gè)鎖解鎖后瞎抛，再加鎖，那么加鎖的動(dòng)作必須在解鎖動(dòng)作之后(同一個(gè)鎖)却紧。

volatile規(guī)則 volatile變量的寫桐臊，先發(fā)生于讀，這保證了volatile變量的可見性晓殊，簡單的理解就是断凶，volatile變量在每次被線程訪問時(shí)，都強(qiáng)迫從主內(nèi)存中讀該變量的值巫俺，而當(dāng)該變量發(fā)生變化時(shí)懒浮，又會(huì)強(qiáng)迫將最新的值刷新到主內(nèi)存，任何時(shí)刻识藤，不同的線程總是能夠看到該變量的最新值。

線程啟動(dòng)規(guī)則 線程的start()方法先于它的每一個(gè)動(dòng)作次伶，即如果線程A在執(zhí)行線程B的start方法之前修改了共享變量的值痴昧，那么當(dāng)線程B執(zhí)行start方法時(shí)，線程A對(duì)共享變量的修改對(duì)線程B可見

傳遞性 A先于B 冠王，B先于C 那么A必然先于C

線程終止規(guī)則 線程的所有操作先于線程的終結(jié)赶撰，Thread.join()方法的作用是等待當(dāng)前執(zhí)行的線程終止。假設(shè)在線程B終止之前柱彻，修改了共享變量豪娜，線程A從線程B的join方法成功返回后，線程B對(duì)共享變量的修改將對(duì)線程A可見哟楷。

線程中斷規(guī)則 對(duì)線程 interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生瘤载，可以通過Thread.interrupted()方法檢測(cè)線程是否中斷。

對(duì)象終結(jié)規(guī)則 對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行卖擅，結(jié)束先于finalize()方法

上述8條原則無需手動(dòng)添加任何同步手段(synchronized|volatile)即可達(dá)到效果鸣奔。

volatile 內(nèi)存語義

保證被volatile修飾的共享變量對(duì)所有線程總是可見的。也就是當(dāng)一個(gè)線程修改了一個(gè)被volatile修飾的共享變量的值惩阶，新值總是可以被其他線程立即得知挎狸。

禁止指令重排優(yōu)化。

1.可見性

當(dāng)寫一個(gè)volatile變量時(shí)断楷，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存中

當(dāng)讀取一個(gè)volatile變量锨匆，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)存置為無效，那么該線程將只能從主內(nèi)存中重新讀取共享變量冬筒。volatile變量正是通過這種寫-讀的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)其他線程可見恐锣。（內(nèi)存語義實(shí)現(xiàn)是通過內(nèi)存屏障）

2.禁止重排優(yōu)化

volatile關(guān)鍵字另一個(gè)作用就是禁止指令重排優(yōu)化茅主，從而避免多線程環(huán)境下程序出現(xiàn)亂序的執(zhí)行現(xiàn)象。

內(nèi)存屏障（Memory Barrier）又稱內(nèi)存柵欄侥蒙，是一個(gè)CPU命令暗膜，它的作用有兩個(gè)：

1.保證特定操作的執(zhí)行順序。

2.保證某些變量的內(nèi)存可見性鞭衩。

由于編譯器和處理器都能執(zhí)行指令重排優(yōu)化学搜，如果在指令間插入一條Memory Barrier則會(huì)告訴編譯器和CPU，不管什么指令都不能和這條內(nèi)存屏障指令重排序论衍，Memory Barrier的另外一個(gè)作用是強(qiáng)制刷出各種CPU的緩存數(shù)據(jù)瑞佩。

總之，volatile變量正是通過內(nèi)存屏障實(shí)現(xiàn)其在內(nèi)存中的語義坯台，即可見性和禁止重排優(yōu)化炬丸。

總結(jié)

JMM就是一組規(guī)則，這組規(guī)則解決并發(fā)編程可能出現(xiàn)的線程安全問題蜒蕾。并提供了內(nèi)置解決方案（happens-before原則）及外部可使用的同步手段(synchronized和volatile)稠炬，確保程序在多線程環(huán)境下的原子性、可見性咪啡、順序性首启。

作者：hadoop_a9bb

鏈接：http://www.reibang.com/p/e034762c85cb

來源：簡書

著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)撤摸，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處毅桃。