Java内存模型

概述

Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型（JMM）来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

主内存和工作内存

Java内存模型的主要目标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。此处的变量与Java编程中所说的变量有所区别，它包括了实例字段、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，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不存在竞争问题。

Java内存模型规定了所有的变量都是存储在主内存中。每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

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这里所讲的主内存、工作内存与Java堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存划分，这两者基本上没有任何关系。

内存间交互操作

Java内存模型中定义了以下八种操作，虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说有例外）：

• lock（锁定）
• unlock（解锁）
• read（读取）
• load（载入）
• use（使用）
• assign（复制）
• store（赋值）
• write（写入）

Java内存模型还规定了在执行上诉八种基本操作时必须满足以下规则：

1. 不允许read、load、store 和 write 操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起了回写但主内存不接受的情况。
2. 不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
3. 不允许一个线程无原因的把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
4. 一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化的变量。
5. 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
6. 如果对一个变量执行lock操作，那么将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
7. 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。
8. 对一个变量执行unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存中。

对于volatile型变量的特殊规则

当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性：第一是保证此变量对所有线程的可见性，这里的可见性是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。

Java里面的运算并非是原子操作，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。

由于volatile变量只能保证可见效，在不符合以下两条规则的运算场景下，我们仍然要通过加锁来保证原子性。

• 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值
• 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束

第二个特性是禁止指令重排优化。普通的变量仅仅会保证在该方法执行过程中所有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作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这一点，这也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”（As - if - Serial）。

volatile 变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，但是写操作则可能会慢一些，因为它需要在本地代码中插入很多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。

对于long和double型变量的特殊规则

对于64位的数据类型，在模型中定义了一种相对宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即可以不保证64位数据类型的操作的原子性。

但是目前虚拟机都几乎把64位数据的读写操作作为原子操作来对待，因此我们在编写代码中并不需要把long和double变量专门声明为volatile。

原子性、可见性与有序性

• 原子性

  我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的。如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式的使用这两种操作，这两个字节码指令就对应Java中的synchronized关键字。

• 可见性

  可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通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作为传递媒介的方式来实现可见性，无论是普通变量还是volatile变量都是如此，volatile变量的特殊规则是保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此，可以说volatile变量保证了多线程操作时的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

  除了volatile之外，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“对变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中”这条规则获得的，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，并且构造器没有把this引用传递出去，那么其他线程中就能看见final字段的值。

• 有序性

  如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行的语义（As - If - Serial）”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存和主内存同步延迟”现象。

  Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之前操作的有序性，volatile关键字本身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允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行的进入。

先行发生原则

先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系。如果说操作A先行发生与B，那么操作A产生的影响能够被B观察到。下面是Java内存模型中天然的先行发生关系：

• 程序次序规则

  即程序的书写顺序。

• 管程锁定规则

  一个unlock操作先行发生与后面对同一个锁的lock操作。

• volatile变量规则

  对一个volatile变量的写操作先行发生与后面对这个变量的读操作。

• 线程启动规则

  Thread.start()方法先行发生与此线程的每一个动作。