Java虚拟机16：Java内存模型

什么是Java内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model，JMM）来屏蔽掉各类硬件和操做系统的访问差别，以实现让Java程序在各类平台下都能达到一致的内存访问效果。在此以前，主流程序语言（如C/C++等）直接使用物理硬件和操做系统的内存模型，所以，会因为不一样平台上内存模型的差别，有可能致使程序在一套平台上并发彻底正常，而在另一套平台上并发访问却常常出错，所以在某些场景下就不准针对不一样的平台来编写程序。

Java内存模型即要定义得足够严谨，才能让Java的并发内存访问操做不会产生歧义；Java内存模型也必须定义地足够宽松，才能使得虚拟机的实现有足够的自由空间去利用硬件的各类特性来获取更好的执行速度。通过长时间的验证和修补，JDK1.5（实现了JSR-133）发布以后，Java内存模型已经成熟和完善起来了，一块儿来看一下。

 

主内存和工做内存

Java内存模型的主要目的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的底层细节。注意一下，此处的变量并不包括局部变量与方法参数，由于它们是线程私有的，不会被共享，天然也不会存在竞争，此处的变量应该是实例字段、静态字段和构成数组对象的元素。

Java内存模型规定了全部的变量都存储在主内存（Main Memory）中，每条线程还有本身的工做内存（Working Memory），线程的工做内存中保存了被该线程使用到的变量和主内存副本拷贝（注意这里毫不会是整个对象的拷贝，试想一个10M的对象，在每一个用到这个对象的工做内存中有一个10M的拷贝，内存还受得了？也就是一些在线程中用到的对象中的字段罢了），线程对变量全部的操做（读取、赋值）都必须在工做内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不一样的线程之间也没法直接访问对方工做内存中的变量，线程间变量值的传递均须要经过主内存来完成，线程、主内存、工做内存三者的交互关系如图：

 

 

内存间相互交互

关于主内存与工做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做内存、如何从工做内存同步回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了如下8种操做来完成，虚拟机实现时必须保证下面体积的每一种操做都是原子的、不可再分的：

一、lock（锁定）：做用于主内存中的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态

二、unlock（解锁）：做用于主内存中的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能够被其余线程锁定

三、read（读取）：做用于主内存中的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工做内存中，以便随后的load动做使用

四、load（载入）：做用于工做内存的变量，它把read操做从主内存中获得的变量值放入工做内存的变量副本中

五、use（使用）：做用于工做内存的变量，它把工做内存中一个变量的值传递给执行引擎，没当虚拟机遇到一个须要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操做

六、assign（赋值）：做用于工做内存中的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工做内存中的变量，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做

七、store（存储）：做用于工做内存中的变量，它把工做内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操做使用

八、write（写入）：做用于主内存中的变量，它把store操做从工做内存中获得的变量值放入主内存的变量中

Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操做时必须知足如下规则：

一、不容许read和load、store和write操做之一单独出现

二、不容许一个线程丢弃它的最近的assign操做，即变量在工做内存中改变了滞后必须把该变化同步回主内存

三、不容许一个线程无缘由地把数据从线程的工做内存同步回主内存中

四、一个新的变量只能从主内存中诞生，不容许在工做内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量

五、一个变量在同一时刻只容许一条线程对其进行lock操做，但lock操做能够被同一条线程重复执行屡次，屡次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操做，变量才会被解锁

六、若是对同一个变量执行lock操做，那将会清空工做内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，须要从新执行load或assign操做初始化变量的值

七、若是一个变量事先没有被lock操做锁定，那就不容许对它进行unlock操做，也不容许去unlock一个被其余线程锁定的变量

八、对一个变量执行unlock操做以前，必须先把此变量同步回主内存中

 

volatile型变量的特殊规则

关键字volatile能够说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。

一个变量被定义为volatile后，它将具有两种特性：

一、保证此变量对全部线程的"可见性"，所谓"可见性"是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其它线程来讲都是能够当即得知的，而普通变量不能作到这一点，普通变量的值在在线程间传递均须要经过主内存来完成，关于volatile关键字的操做请参见volatile关键字使用举例，再强调一遍，volatile只保证了可见性，并不保证基于volatile变量的运算在并罚下是安全的

二、使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通变量仅仅会保证在该方法的执行过程当中全部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做的顺序与程序代码中的执行顺序一致。

总结一下Java内存模型对volatile变量定义的特殊规则：

一、在工做内存中，每次使用某个变量的时候都必须线从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其余线程对该变量所作的修改以后的值

二、在工做内存中，每次修改完某个变量后都必须马上同步回主内存中，用于保证其余线程可以看见本身对该变量所作的修改

三、volatile修饰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顺序相同

 

原子性、可见性、有序性

Java内存模型围绕着并发过程当中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来创建的，来逐个看一下：

一、原子性（Atomicity）

由Java内存模型来直接保证原子性变量操做包括read、load、assign、use、store、write，大体能够认为基本数据类型的访问读写是具有原子性的。若是应用场景须要一个更大的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock，尽管虚拟机没有把lock和unlock操做直接开放给用户使用，可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做，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块----synchronized关键字

二、可见性（Visibility）

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其余线程可以当即得知这个修改。volatile其实已经详细写了这一点，其实synchronized关键字也是能够实现可见性的，synchronized的可见性是由"对一个变量执行unlock操做以前，必须先把此变量同步回主内存中"这条规则得到的。另外，final关键字也能够实现可见性，由于被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，而且构造器没有把this传递出去，那在其余线程中就能看见final字段的值。

三、有序性（Ordering）

Java程序中自然的有序性能够总结为一句话：若是在本线程内观察，全部的操做都是有序的；若是在一个线程中观察另一个线程，全部的操做都是无须的。前半句是指"线程内表现为穿行的语义"，后半句是指"指令重排序"和"工做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做的有序性，volatile关键字自己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容许一条线程对其进行lock操做"这条规则得到的，这条规则规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happens-before原则

若是Java内存模型中全部的有序性都仅仅靠volatile和synchronized来完成，那么有一些操做将变得很繁琐，可是咱们在编写Java代码时并未感受到这一点，这是由于Java语言中有一个"先行发生（happens-before）"原则。这个原则很是重要，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，咱们能够经过几条规则就判断出并发环境下两个操做之间是否可能存在冲突的问题。

所谓先行发生原则是指Java内存模型中定义的两项操做之间的偏序关系，若是说操做A先行发生于操做B，那么操做A产生的影响可以被操做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。Java内存模型下有一些自然的，不须要任何同步协助器就已经存在的先行发生关系：

一、程序次序规则：在一个线程内，按照控制流顺序，控制流前面的操做先行发生于控制流后面的操做，说"控制流"是由于还要考虑到分支、循环结构

二、管程锁定规则：一个unlock操做先行发生于后面对同一个锁的lock操做

三、volatile变量规则：对一个volatile变量的写操做先行发生于后面对这个变量的读操做

四、线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个动做

五、线程终止规则：线程中的全部操做都先行发生于对此线程的终止检测

六、线程中断规则：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

七、对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize()方法的开始

八、传递新：若是操做A先行发生于操做B，操做B先行发生于操做C，那么操做A必然先行发生于操做C

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额，若是两个操之间的关系不在此列，而且没法经过下面规则推导出来的话，它们就没有顺序性保障。举一个例子来看一下：

private int i = 0;

public void setI(int i)
{
    this.i = i;
}

public int getI()
{
    return i;
}

很普通的一组getter/setter，假设A线程先调用了setI(1)，B线程再调用了同一个对象的getI()，那么B线程的返回值是什么？

依次分析一下先行发生原则中的各项规则。因为两个方法分别由两个线程分别调用，所以程序次序规则这里不适用；因为没有同步块，因此也就没有unlock和lock，所以管程锁定规则这里不适用；i没有被关键字volatile修饰，所以volatile变量规则这里不适用；后面的启动、终止、中断、对象终结也和这里彻底没有关系，所以也都不适用。由于没有一个实用的先行发生规则，因此最后一条传递性也无从谈起，所以传递性也不适用。因为全部先行发生原则都不适用，所以尽管线程A的setI(1)操做在时间上先发生，但没法肯定线程B的getI()的返回结果，换句话说，这里面的操做不是线程安全的。

那如何修复这个问题？至少有两种比较简单的办法：

一、setter/getter都定义成synchronized的，这样能够套用管程锁定规则

二、i定义为volatile变量，因为setter方法对i的修改不依赖于i的原值，知足volatile关键字的使用场景，这样能够套用volatile变量规则

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