内存模型与多线程设计-JMM模型

RoadMap

1 JMM模型

    JMM 全称,Java Memory Model. 这个内存模型与Stack，heap GC分代的内存模型，不是一回事，二者是经过不通的维度，将硬件访问抽象出来的一层抽象的逻辑模型，JVM屏蔽了硬件的直接操做。 GC分代的内存模型更加贴近与垃圾回收和内存分配使用的理解，而JMM模型更加贴近，多线程和内存之间的通信

1.1 工做内存和主内存

    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，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（读取、赋值等）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。

须要注意的是， 放在住内存的变量包括，实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，由于后者是线程独有的。

 

1.2 内存间的交互操做

  线程间若是要完成变成的同步和共享，必须经历下面2个步骤。

   1. 线程A必需要把线程A的工做内存更新过的变量刷新到主内存去。

   2. 线程B到主内存中去读取线程A更新过的共享变量

这些通信操做是被JMM屏蔽的，要保证变量的线程安全共享 须要使用Java的同步块(synchonrized），或者其余并发工具。这里强调的是安全共享，在不加同步块，和并发工具的状况下，变量也是能够被共享的，只是不能保证读都最新数据，就是常说的 脏读，错读等

 2  原子操做与指令重排序

2.1 原子操做

    根据工做内存与住内存的交互协议，一个 变量从主内存拷贝到工做内存，与工做内存同步到主内存，会通过一下八个原子操做。

lock	主存	做用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
unlock	主存	做用于主内存的变量，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。
read	主存	做用于主内存的变量，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。
load	工做内存	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
use	工做内存	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，每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
assign	工做内存	做用于工做内存的变量，它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给变量赋值的字节码指令时执行这个操做。
store	工做内存	做用于工做内存的变量，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。
write	主内存	做用于主内存的变量，它把store操做从工做内存中获得的变量的值放入主内存的变量中。

JMM规定若是要把一个变量从主内存复制到工做内存，那就要顺序地执行read和load操做，若是要把变量从工做内存同步回主内存，就要顺序地执行store和write操做。

    注意，Java内存模型只要求上述两个操做必须按顺序执行，而没有保证是连续执行。也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其余指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现顺序是read a、read b、load b、load a。    

除了以上的顺序约束之外，还规定了其余的约束：

    a.  不容许read和load、store和write操做之一单独出现，即不容许一个变量从主内存读取了但工做内存不接受，或者从工做内存发起回写了但主内存不接受的状况出现。

    b. 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以后必须把该变化同步回主内存。

    c. 不容许一个线程无缘由地（没有发生过任何assign操做）把数据从线程的工做内存同步回主内存中。

    d.  一个新的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（load或assign）的变量，换句话说，就是对一个变量实施use、store操做以前，必须先执行过了assign和load操做。

    e.  一个变量在同一个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。

    f. 若是对一个变量执行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。

    g. 若是一个变量事先没有被lock操做锁定，那就不容许对它执行unlock操做，也不容许去unlock一个被其余线程锁定住的变量。 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（执行store、write操做）。

2.2 Volatile

    关键字volatile能够说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制. 当一个变量定义为volatile以后，它将具有两种特性，第一是保证此变量对全部线程的可见性. 第二个语义是禁止指令重排序优化.

    这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其余线程来讲是能够当即得知的。而普通变量不能作到这一点，普通变量的值在线程间传递均须要经过主内存来完成，例如，线程A修改一个普通变量的值。须要注意的是，volatile只是保证了可见性，很容易误解为volatile变量在各个线程中是一致的，因此基于volatile变量的运算在并发下是安全的。可是Java里面的运算并不是原子操做，各个工做区的volaitile的变量可能存在不一致的状况，致使volatile变量的运算在并发下同样是不安全的。

3 三大特性

Java内存模型是围绕着在并发过程当中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来创建的

3.1 原子性

    原子性（Atomicity）：由Java内存模型来直接保证的原子性变量操做包括read、load、assign、use、store和write，咱们大体能够认为基本数据类型的访问读写是具有原子性的（例外就是long和double的非原子性协定，读者只要知道这件事情就能够了，无须太过在乎这些几乎不会发生的例外状况）。 若是应用场景须要一个更大范围的原子性保证（常常会遇到），Java内存模型还提供了lock和unlock操做来知足这种需求，尽管虚拟机未把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，所以在synchronized块之间的操做也具有原子性。

3.2 可见性

    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。Java内存模型是经过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存做为传递媒介的方式来实现可见性的，不管是普通变量仍是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是，volatile的特殊规则保证了新值能当即同步到主内存，以及每次使用前当即从主内存刷新。所以，能够说volatile保证了多线程操做时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

    除了volatile以外，Java还有两个关键字能实现可见性，即synchronized和final。同步块的可见性是由“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（执行store、write操做）”这条规则得到的，而final关键字的可见性是指：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”的引用传递出去（this引用逃逸是一件很危险的事情，其余线程有可能经过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那在其余线程中就能看见final字段的值。

3.3 有序性

    有序性（Ordering）：Java内存模型的有序性在前面讲解volatile时也详细地讨论过了，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外一个线程，全部的操做都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics），后半句是指“指令重排序”现象和“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“一个变量在同一个时刻只容许一条线程对其进行lock操做”这条规则得到的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

4 先行先发原则

    若是Java内存模型中全部的有序性都仅仅靠volatile和synchronized来完成，那么有一些操做将会变得很烦琐，可是咱们在编写Java并发代码的时候并无感受到这一点，这是由于Java语言中有一个“先行发生”（happens-before）的原则。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一揽子地解决并发环境下两个操做之间是否可能存在冲突的全部问题。

• 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操做先行发生于书写在后面的操做
• 锁定规则：一个unLock操做先行发生于后面对同一个锁额lock操做
• volatile变量规则：对一个变量的写操做先行发生于后面对这个变量的读操做
• 传递规则：若是操做A先行发生于操做B，而操做B又先行发生于操做C，则能够得出操做A先行发生于操做C
• 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个一个动做
• 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
• 线程终结规则：线程中全部的操做都先行发生于线程的终止检测，咱们能够经过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
• 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始