Java虛擬機(jī)規(guī)范中試圖定義一種Java內(nèi)存模型來屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異馋艺，以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果斩松。

一.Java內(nèi)存模型

1. 主內(nèi)存與工作內(nèi)存

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)則衬衬，即在虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)绣檬。

此處的變量與Java編程中所說的變量有所區(qū)別，它包括了實(shí)例字段、靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對象的元素，但不包括局部變量與方法參數(shù)，因?yàn)楹笳呤蔷€程私有的（如果局部變量是一個(gè)reference引用類型龙助，它引用的對象在Java堆中可被各個(gè)線程共享，但是reference本身在Java棧的局部變量表中蛛芥，它是線程私用的）提鸟，不會(huì)被共享，自然就不存在競爭問題仅淑。

Java 內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存在主內(nèi)存中称勋。

每條線程還有自己的工作內(nèi)存，線程的工作內(nèi)存中保存了被該線程使用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝漓糙，線程對變量的所有操作（讀取铣缠、賦值等）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行烘嘱，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量昆禽。不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量蝗蛙，線程間變量值得傳遞均需要通過主內(nèi)存來完成。

如果對應(yīng)Java內(nèi)存來說（硬要說的話）醉鳖，主內(nèi)存主要對應(yīng)于Java堆中的對象實(shí)例數(shù)據(jù)部分捡硅，而工作內(nèi)存則對應(yīng)于虛擬機(jī)棧中的部分區(qū)域。

2. 內(nèi)存間交互操作

關(guān)于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間具體的交換協(xié)議盗棵，即一個(gè)變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存壮韭、如何從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存之類的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，Java內(nèi)存模型中定義了一下八種操作來完成纹因，虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)必須保證下面提及的每一種操作都是原子的喷屋、不可再分的。

①.lock：（鎖定）作用于主內(nèi)存的變量瞭恰，它把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占的狀態(tài)

②.unlock：（解鎖）作用與主內(nèi)存的變量屯曹，它把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定惊畏。

③.read：（讀榷竦ⅰ）作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中颜启，以便隨后的load動(dòng)作使用偷俭。

④.load：（載入）作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中缰盏。

⑤.use：（使用）作用于工作內(nèi)存的變量涌萤，它把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)需要使用到變量的值的字節(jié)碼指令時(shí)將會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作乳规。

⑥.assign：（賦值）作用于工作內(nèi)存的變量形葬，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的字節(jié)碼指令時(shí)將會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作暮的。

⑦.store：（存儲(chǔ)）作用于工作內(nèi)存的變量笙以，它把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write操作使用冻辩。

⑧.write：（寫入）作用于主內(nèi)存的變量猖腕，它把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中。

其中恨闪，read load倘感、store write必須按順序執(zhí)行，但不保證是連續(xù)執(zhí)行咙咽。這些定義相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)质址爆嵗下辏瑢?shí)踐起來很麻煩，所以我們一個(gè)等效判斷原則-------先行發(fā)生原則，用來確定一個(gè)訪問在并發(fā)環(huán)境下是否安全蜡豹。

3. 對于 volatile 型變量的特殊規(guī)則

關(guān)鍵字 volatile 可以說是Java虛擬機(jī)提供的最輕量級(jí)的同步機(jī)制麸粮，但是它并不容易完全被正確、完整地理解镜廉。

當(dāng)一個(gè)變量定義為volatile之后弄诲，它將具備兩種特性。

第一是保證此變量對所有線程的可見性娇唯，這里的“可見性”是指當(dāng)一條線程修改了這個(gè)變量的值齐遵，新值對于其他線程來說是可以立即得知的。而普通變量不能做到這一點(diǎn)塔插，普通變量的值在線程間傳遞均需要通過主內(nèi)存來完成梗摇，線程A修改了一個(gè)普通變量的值，然后向主內(nèi)存進(jìn)行回寫想许，另外一個(gè)線程B在線程A回寫完成了之后再從主內(nèi)存進(jìn)行讀取操作留美，新變量值才會(huì)對線程B可見。

由于Java里面的運(yùn)算并非原子操作伸刃，導(dǎo)致volatile變量的運(yùn)算在并發(fā)下一樣是不安全的谎砾。

這段代碼發(fā)起了20個(gè)線程，每個(gè)線程對race變量進(jìn)行10000自增操作捧颅，如果這段代碼能夠正確并發(fā)的話景图，最后的輸出結(jié)果應(yīng)該是200000，但是運(yùn)行后我們會(huì)發(fā)現(xiàn)輸出的結(jié)果都不一樣碉哑，都是小于200000的數(shù)字挚币。

由于volatile變量只能保證可見性，在不符合一下兩條規(guī)則的運(yùn)算場景中扣典，我們?nèi)匀灰ㄟ^加鎖來保證原子性妆毕。

①.運(yùn)算結(jié)果并不依賴變量的當(dāng)前值，或者能夠確保只有單一的線程修改變量的值贮尖。

②.變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束

第二個(gè)特性是禁止指令重排序優(yōu)化笛粘，普通的變量僅僅會(huì)保證在該方法的執(zhí)行過程中所有依賴賦值結(jié)果的地方都能獲取到正確的結(jié)果，而不能保證變量賦值操作的順序與程序代碼中的執(zhí)行順序一致湿硝。因?yàn)樵谝粋€(gè)線程的方法執(zhí)行過程中無法感知到這點(diǎn)薪前，這也就是Java內(nèi)存模型中描述的所謂的“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行的語義”。

4.原子性关斜、可見性與有序性

Java內(nèi)存模型是圍繞著在并發(fā)過程中如何處理原子性示括、可見性和有序性這3個(gè)特征來建立的。

4.1 原子性

由Java內(nèi)存模型來直接保證的原子性變量操作包括read痢畜、load垛膝、assign鳍侣、use、store和write吼拥，我們大致可以認(rèn)為基本數(shù)據(jù)類型的訪問續(xù)寫是具備原子性的拱她。同樣，synchronized塊之間的操作也是具備原子性的扔罪。

4.2 可見性

可見性是指當(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)修改桶雀。我們之前說的volatile的特殊規(guī)則就是保證了新增能立即同步到主內(nèi)存矿酵，以及每次使用前立即從主內(nèi)存刷新，因此可以說矗积，volatile保證了多線程操作時(shí)變量的可見性全肮，而普通變量則不能保證這一點(diǎn)。

除了volatile之外棘捣，Java還有兩個(gè)關(guān)鍵字能實(shí)現(xiàn)可見性辜腺，即 synchronized 和 final 。同步塊的可見性是由“對一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前乍恐，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中”這條獲得的评疗，而 final 關(guān)鍵字的可見性是指：被 final 修飾的字段在構(gòu)造器中一旦初始化完成，并且構(gòu)造器沒有把 this 的引用傳遞出去茵烈，那么在其他線程中就能看見 final 字段的值百匆，它們無需同步就能被其他線程正確訪問。

4.3 有序性

Java 程序有個(gè)天然的有序性可以總結(jié)為一句話：如果在本線程內(nèi)觀察呜投，所有的操作都是有序的加匈；如果在一個(gè)線程中觀察另一個(gè)線程，所有的操作都是無序的仑荐。前半句是指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行的語義”雕拼，后半句是指“指令重排序”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。

Java語言提供了 volatile 和 synchronized 兩個(gè)關(guān)鍵字來保證線程之間操作的有序性粘招，volatile 關(guān)鍵字本身就包含了禁止指令重排序的語義啥寇，而 synchronized 則是由“一個(gè)變量在同一個(gè)時(shí)刻只允許一條線程對其進(jìn)行l(wèi)ock操作”這條規(guī)則獲得的，這條規(guī)則決定了持有同一個(gè)鎖的兩個(gè)同步塊只能串行地進(jìn)入洒扎。

5. 先行發(fā)生原則

如果Java內(nèi)存模型中所有的有序性都僅僅靠 volatile 和 synchronized 來完成示姿，那么有一些操作將會(huì)變得很煩瑣，但是我們在編寫Java代碼時(shí)并沒有感覺到這一點(diǎn)逊笆，這是因?yàn)镴ava語言中有個(gè)“先行發(fā)生原則”栈戳。這個(gè)原則非常重要，它是判斷數(shù)據(jù)是否存在競爭难裆、線程是否安全的主要依據(jù)子檀。

先行發(fā)生是指 Java 內(nèi)存模型中定義的兩項(xiàng)操作之間的偏序關(guān)系镊掖，如果說操作A先行發(fā)生于操作B，其實(shí)就是說在發(fā)生操作B之前褂痰，操作A產(chǎn)生的影響能被操作B觀察到亩进。

下面是Java內(nèi)存模型下一些“天然的”先行發(fā)生關(guān)系，這些先行發(fā)生關(guān)系無需任何同步器協(xié)助就已經(jīng)存在缩歪。

①.程序次序規(guī)則：在一個(gè)線程內(nèi)归薛，按照程序代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作匪蝙。

②.管理鎖定規(guī)則：一個(gè) unlock 操作先行發(fā)生于后面對同一個(gè)鎖的lock操作主籍。這里必須強(qiáng)調(diào)是同一個(gè)鎖，而“后面”是指時(shí)間上的先后順序逛球。

③.volatile變量規(guī)則：對一個(gè) volatile 變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個(gè)變量的讀操作千元。“后面”是指時(shí)間上的先后順序颤绕。

④.線程啟動(dòng)規(guī)則：Thread 對象的 start() 方法先行發(fā)生于此線程的每一個(gè)動(dòng)作幸海。

⑤.線程終止規(guī)則：線程中的所有操作都先行發(fā)生于對此線程的終止檢測。

⑥.線程中斷規(guī)則：對線程 interrupt() 方法的調(diào)優(yōu)先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生奥务。

⑦.對象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對象的初始化完成（構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行結(jié)束）先行發(fā)生于它的 finalize() 方法的開始物独。

⑧.傳遞性：如果操作A先行發(fā)生于操作B，操作B先行發(fā)生于操作C氯葬，那就可以得出結(jié)論操作A先生發(fā)生于操作C的結(jié)論议纯。

二.Java與線程

1.線程的實(shí)現(xiàn)（現(xiàn)在還沒有涉及到Java線程 而是統(tǒng)一的線程實(shí)現(xiàn)）

線程是比進(jìn)程更輕量級(jí)的調(diào)度執(zhí)行單位，線程的引入溢谤，可以把一個(gè)進(jìn)程的資源分配和執(zhí)行調(diào)度分開瞻凤，各個(gè)線程可以共享進(jìn)程資源，又可以獨(dú)立調(diào)度（線程是CPU調(diào)度的基本單位）世杀。

主流的操作系統(tǒng)都提供了線程實(shí)現(xiàn)阀参，Java線程：每個(gè)已經(jīng)執(zhí)行 start() 且還未結(jié)束的 Java.lang.Thread 類的實(shí)例就代表了一個(gè)線程。

實(shí)現(xiàn)線程主要有3種方式：使用內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)瞻坝、使用用戶線程實(shí)現(xiàn)和使用用戶線程加輕量級(jí)進(jìn)程混合實(shí)現(xiàn)蛛壳。

1.1 使用內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)

內(nèi)核線程就是直接由操作系統(tǒng)內(nèi)核支持的線程，這種線程由內(nèi)核來完成線程切換所刀，內(nèi)核通過操縱調(diào)度器對線程進(jìn)行調(diào)度衙荐，并負(fù)責(zé)將線程的任務(wù)映射到各個(gè)處理器上。

程序一般不會(huì)直接去使用內(nèi)核線程浮创，而是去使用內(nèi)核線程的一種高級(jí)接口------輕量級(jí)進(jìn)程忧吟，也就是我們通常意義上的線程，由于每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都由一個(gè)內(nèi)核線程支持斩披，因此只有先支持內(nèi)核線程溜族，才能有輕量級(jí)進(jìn)程讹俊。這種輕量級(jí)進(jìn)程與內(nèi)核線程之間1:1的關(guān)系成為一對一的線程模型。

由于內(nèi)核線程的支持煌抒，每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都成為一個(gè)獨(dú)立的調(diào)度單元仍劈，即使有一個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程在系統(tǒng)調(diào)用中阻塞了，也不會(huì)影響整個(gè)進(jìn)程繼續(xù)工作寡壮。但是輕量級(jí)進(jìn)程具有它的局限性：首先贩疙，由于是基于內(nèi)核線程是實(shí)現(xiàn)的，所以各種線程操作况既，如創(chuàng)建这溅、析構(gòu)及同步，都需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用坏挠。而系統(tǒng)調(diào)用的代價(jià)相對較高，需要在用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)中來回切換邪乍。其次降狠，每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都需要有一個(gè)內(nèi)核線程的支持，所以要消耗一定的內(nèi)核資源庇楞。

1.2 使用用戶線程實(shí)現(xiàn)

從廣義上講榜配，一個(gè)線程只要不是內(nèi)核線程，就可以認(rèn)為是用戶線程吕晌。而狹義上的用戶線程指的是完全建立在用戶空間的線程庫上蛋褥，系統(tǒng)內(nèi)核不能感知線程存在的實(shí)現(xiàn)。

用戶線程的建立睛驳、同步烙心、銷毀和調(diào)度完全在用戶態(tài)中完成，不需要內(nèi)核的幫助乏沸。這種進(jìn)程與用戶線程之間1：N的關(guān)系稱為一對多的線程模型淫茵。

使用用戶線程的優(yōu)勢在于不需要系統(tǒng)內(nèi)核支援，劣勢也在于不需要系統(tǒng)內(nèi)核支援蹬跃，所有的線程操作都需要用戶程序自己處理匙瘪，很多問題解決起來會(huì)異常困難，所以現(xiàn)在很多語言都放棄了蝶缀。

1.3 使用用戶線程加輕量級(jí)進(jìn)程混合實(shí)現(xiàn)

這是一種將內(nèi)核線程與用戶線程一起使用的實(shí)現(xiàn)方式丹喻，在這種混合實(shí)現(xiàn)下，既存在用戶線程翁都，也存在輕量級(jí)進(jìn)程碍论。

操作系統(tǒng)提供支持的輕量級(jí)進(jìn)程作為用戶線程和內(nèi)核線程之間的橋梁，這樣可以使用內(nèi)核提供的線程調(diào)度功能及處理器映射柄慰，并且用戶線程的系統(tǒng)調(diào)用要通過輕量級(jí)線程來完成骑冗，大大降低了整個(gè)進(jìn)程被完全阻塞的風(fēng)險(xiǎn)赊瞬。在這種混合模式中，用戶線程與輕量級(jí)進(jìn)程的數(shù)量比是不定的贼涩，即為N:M巧涧。

1.4 Java線程的實(shí)現(xiàn)

在目前的JDK版本中，操作系統(tǒng)支持怎樣的線程模型遥倦，在很大程度上決定了Java虛擬機(jī)的線程是怎樣映射的谤绳。線程模型只對線程的并發(fā)規(guī)模和操作成本產(chǎn)生影響，對Java程序的編碼和運(yùn)行來說袒哥，這些差異都是透明的缩筛。

2. Java線程調(diào)度

線程調(diào)度是指系統(tǒng)為線程分配處理器使用權(quán)的過程，主要調(diào)度方式有兩種堡称，分別是協(xié)同式調(diào)度和搶占式調(diào)度瞎抛。

2.1 協(xié)同式調(diào)度

如果使用協(xié)同式調(diào)度的多線程系統(tǒng)，線程的執(zhí)行時(shí)間由線程本身控制却紧，線程把自己的工作執(zhí)行完了之后桐臊，就主動(dòng)通知系統(tǒng)切換到另一個(gè)線程上。

協(xié)同式調(diào)度的最大好處是實(shí)現(xiàn)簡單晓殊，而且由于線程要把自己的事情干完后才會(huì)進(jìn)行線程切換断凶，切換操作對線程自己是可知的，所以沒有什么線程同步的問題巫俺。

同時(shí)认烁，它的壞處是：線程執(zhí)行時(shí)間不可控制，甚至如果一個(gè)線程編寫有問題介汹，一直不告訴系統(tǒng)進(jìn)行線程切換却嗡，那么程序就會(huì)一直阻塞在那里。

2.2 搶占式調(diào)度

如果使用搶占式調(diào)度的多線程系統(tǒng)嘹承，那么每個(gè)線程將由系統(tǒng)來分配執(zhí)行時(shí)間稽穆，線程的切換不由線程本身來決定（在Java中，Thread.yield() 可以讓出執(zhí)行時(shí)間）赶撰。在這種實(shí)現(xiàn)線程調(diào)度的方式下舌镶，線程的執(zhí)行時(shí)間是系統(tǒng)可控的，也不會(huì)有一個(gè)線程導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)程阻塞的問題豪娜，Java使用的線程調(diào)度方式就是搶占式調(diào)度餐胀。例如 Windows ，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程出現(xiàn)問題瘤载，我們還可以使用任務(wù)管理器把 這個(gè)進(jìn)程“殺掉”否灾。

雖然Java線程的調(diào)度室系統(tǒng)自動(dòng)完成的，但是我們還可以“建議”系統(tǒng)給某些線程多分配一點(diǎn)執(zhí)行時(shí)間鸣奔，另外的一下線程則可以少分配一點(diǎn)-----這項(xiàng)操作可以通過設(shè)置線程優(yōu)先級(jí)來完成墨技。

在兩個(gè)線程同時(shí)處于Ready狀態(tài)時(shí)惩阶，優(yōu)先級(jí)越高的線程越容易被系統(tǒng)選擇執(zhí)行。

不過線程游戲家也并不是太靠譜扣汪，原因是Java的線程是通過映射到系統(tǒng)的原生線程上來實(shí)現(xiàn)的断楷，所以線程調(diào)度最終還是取決于操作系統(tǒng)，在Windows系統(tǒng)存在一個(gè)成為“優(yōu)先級(jí)推進(jìn)器”的功能崭别，它的大致作用就是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)線程執(zhí)行得特別“勤奮努力”的話冬筒，可能會(huì)越過線程優(yōu)先級(jí)去為它分配執(zhí)行時(shí)間。

3. 狀態(tài)交換

Java語言定義了5種線程狀態(tài)茅主，在任意個(gè)時(shí)間點(diǎn)舞痰，一個(gè)線程只能有且只有其中的一種狀態(tài)。

1.新建（New）：創(chuàng)建后尚未啟動(dòng)的線程處于這種狀態(tài)诀姚。

2.運(yùn)行（Runable）： 包括了操作系統(tǒng)線程狀態(tài)中的 Running 和 Ready响牛，也就是處于次狀態(tài)的線程有可能正在執(zhí)行，也有可能正在等待著 CPU 為它分配執(zhí)行時(shí)間赫段。

3.無限期等待 （Waiting）：線程不會(huì)被分配CPU執(zhí)行時(shí)間呀打，它們要等待被其他線程顯示地喚醒，以下方法會(huì)讓線程陷入無限期的等待狀態(tài)瑞佩。

①.沒有設(shè)置 Timeout 參數(shù)的 Object.wait() 方法聚磺。

②.沒有設(shè)置 Timeout 參數(shù)的 Thread.join() 方法坯台。

③.LockSupport.park() 方法

4.有限期等待（Timed Waiting）: 線程也不會(huì)被分配 CPU 執(zhí)行時(shí)間炬丸，不過無需等待被其他線程顯示的喚醒，在一定時(shí)間之后它們會(huì)由系統(tǒng)自動(dòng)喚醒蜒蕾。以下方法會(huì)讓線程陷入有限期的等待狀態(tài)稠炬。

①.Thread.sleep() 方法

②.設(shè)置 Timeout 參數(shù)的 Object.wait() 方法。.

③.設(shè)置 Timeout 參數(shù)的 Thread.join() 方法咪啡。

④.LockSupport.parkNanos()?

⑤.LockSupport.parkUnitl()

5.阻塞（Blocked）：線程被阻塞了首启，“阻塞狀態(tài)”與“等待狀態(tài)”的區(qū)別是：阻塞狀態(tài)在等待著獲取一個(gè)排它鎖，這個(gè)時(shí)間將在另外一個(gè)線程放棄這個(gè)鎖的時(shí)候發(fā)生撤摸；而“等待狀態(tài)”則是在等待一段時(shí)間毅桃，或者喚醒動(dòng)作的發(fā)生，在程序等待進(jìn)入同步區(qū)域的時(shí)候准夷，線程將進(jìn)入這種狀態(tài)钥飞。

6.結(jié)束：已終止的線程狀態(tài)。

摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》