浅谈Java并发编程系列（二）—— Java内存模型

物理计算机并发问题

在介绍Java内存模型以前，先简单了解下物理计算机中的并发问题。因为处理器的与存储设置的运算速度有几个数量级的差距，因此现代计算机加入一层读写速度尽量接近处理器的高速缓存来做为内存与处理器之间的缓冲：将运算须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中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。

基于高速缓存的存储交互引入一个新的问题：缓存一致性。在多处理器系统中，每一个处理器都有本身的高速缓存，而它们又共享同一主存，如图2-1所示

当多个处理器的运算任务都涉及同一块内存区域时，将可能致使各自的缓存数据不一致，此时，同步回主内时以谁的缓存数据为准。为了解决一致性问题，须要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操做。

除了增长高速缓存外，为了使处理器内部的运算单元可以充分被利用，处理器可能对输入代码进行乱序执行优化，处理器会在计算以后将乱序执行的结果重组，保证与顺序执行的结果一致，但并不保证程序中各个语句计算的前后顺序与输入代码中的一致，所以，若是存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的前后顺序来保证。

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Java 内存模型

主内存与工做内存

Java内存模型规定了全部变量都存储在主内存中（此处主内存与物理计算机的主内存名字同样，能够类比，但此处仅是虚拟机内存的一部分），这里的变量包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量和方法参数，由于后者是线程私用的。每一个线程还有本身的工做内存（可与处理器的高速缓存类比），线程的工做内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的全部操做（读写等）都必须在工做内存中，不能直接读写主内存中的变量。不一样的线程之间也不能直接访问对方工做内存中的变量，线程间的变量值的传递必须经过主内存来完成。 线程、主内存、工做内存三者的交互关系如图2-2

内存间交互操做

Java内存模型定义了8种操做来完成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的实现细节。虚拟机在实现时必须保证每一种操做都是原子的，不可再分的（double和long类变量容许例外）。

• lock(锁定) : 做用于主内存的变量，把一个变量标识为一个线程独占的状态。

• unlock(解锁)：做用于主内存的变量，把一个处于锁定状态的变量解锁，解锁后的变量才能够被其余线程锁定。

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

• load(载入)：做用于主内存的变量，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。

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

• assign(赋值)：做用于工做内存变量，把一个从执行引擎接收到的值赋给工做内存的变量，每当虚拟机遇到一个变量赋值的字节码指令时执行这个操做。

• store(存储)：做用于工做内存变量，把工做内存中一个变量的值传递到主内存中，以便随后的write操做使用。

• write(写入)：做用于主内存变量，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内存模型规定了在执行上述8种基本操做时必须知足以下规则：

• read 和load ，store和write 必须成对操做

• 不容许线程丢弃assign操做，变量在工做内存中改变后必须把该变化同步回主内存

• 没有assign操做，不容许变量从工做内存同步回主内存

• 新变量只能在主内存中诞生，不容许在工做内存中直接使用一个未被初始化的变量（load或assign），即对一个变量实时use和store以前必须先执行过assign和load操做

• 一个变量同一时刻只容许一条线程lock操做，但lock操做能够屡次，执行相同数量的unlock，变量才会解锁

• lock操做会清空工做内存副本，执行引擎使用前，须要从新执行load或者assign操做初始化变量的值

• 没有lock操做，就不容许unlock操做。不容许unlock另外一个线程变量。

• unlock操做前必须先store，write操做，同步回主内存中。