java内存模型

摘要

所谓问题，就是现实与期望之间的差值，当现实不能满足期望，就会觉得出了问题。同样的，计算机操作系统经历了从单核到多核的过程，目的是为了解决计算机运算能力低下的问题。然而，计算机CPU的速度虽然快速增长，但与之匹配的内存速度以及I/O速度却跟不上，它们之间的速度关系：CPU>>内存>>I/O,这就导致新的问题的产生：CPU的高性能没有得到充分的利用。为了合理利用CPU的高性能，平衡这三者的速度差异，计算机体系机构、操作系统、编译程序都做出了许多的改进，主要体现为：

1. CPU增加了缓存，以均衡与内存的速度差异；
2. 操作系统增加了进程、线程，以分时复用CPU，进而均衡CPU与I/O设备的速度差异；
3. 编译程序优化指令执行次序，使得缓存能够得到更加合理地利用。

这些措施取得了显著的效果，但与此同时仍然会存在并发的问题。
借助于物理机模型，java虚拟机规范定义了java内存模型，试图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。

物理机的并发问题

缓存一致性带来的可见性问题

计算机处理器处理绝大多数运行任务都不可能只靠处理器“计算”就能完成，处理器至少需要与内存交互，如读取运算数据、存储运算结果，这个I/O操作很难消除(无法仅靠寄存器完成所有运算任务)。
由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距，为了避免处理器等待缓慢的内存完成读写操作，现代计算机系统通过加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要用到的数据复制到缓存中，让运算快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存中，这样处理器就无需等待缓慢的内存读写。

然而，多核处理器，每颗CPU都有自己的缓存，这时CPU缓存与内存的数据一致性就没那么容易解决了，当多个线程在不同的CPU上执行时，这些线程操作的是不同的CPU缓存。比如下图中，线程A操作的是CPU-1上的缓存，而线程B操作的是CPU-2上的缓存，很明显，这个时候线程A对变量V的操作对于线程B而言就不具备可见性了。

当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，会出现如上所述的可见性问题，将可能导致各自的缓存数据不一致。
为此，需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进行操作，来维护缓存的一致性。

线程切换带来的原子性问题

由于IO太慢，早期的操作系统就发明了多进程，操作系统允许某个进程执行一小段时间，例如50毫秒，过了50毫秒操作系统就会重新选择一个进程来执行（我们称为“任务切换”），这个50毫秒称为“时间片”。

在一个时间片内，如果一个进程进行一个IO操作，例如读个文件，这个时候该进程可以把自己标记为“休眠状态”并出让CPU的使用权，待文件读进内存，操作系统会把这个休眠的进程唤醒，唤醒后的进程就有机会重新获得CPU的使用权。
早期的操作系统基于进程来调度CPU，不同进程间是不共享内存空间的，所以进程要做任务切换就要切换内存映射地址，而一个进程创建的所有线程，都是共享一个内存空间的，所以线程做任务切换成本就很低了。现代的操作系统都基于更轻量的线程来调度，现在我们提到的“任务切换”都是指“线程切换”。
操作系统做任务切换，可以发生在任何一条CPU指令执行完，而不是高级语言里的一条语句。如下图所示，我们假设count=0，如果线程A在指令1执行完后做线程切换，线程A和线程B按照下图的序列执行，那么我们会发现两个线程都执行了count+=1的操作，但是得到的结果不是我们期望的2，而是1。这就是线程切换带来的原子性问题。

指令重排带来的有序性问题

为了使得处理器内部的运算单元尽量被充分利用，提高运算效率，处理器可能会对输入的代码进行乱序执行。
处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，乱序优化可以保证在单线程下该执行结果与顺序执行的结果是一致的，但不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致。
在单个处理器内的优化不会导致执行结果远离预期目标。但是如今多核情况下，计算任务之间会存在依赖关系，一个核的计算任务依赖另一个核计算任务的中间结果。
而且对相关数据读写没做任何防护措施，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证，处理器最终得出的结果和我们逻辑得到的结果可能会大不相同。

以上图为例进行说明，CPU的core2中的逻辑B依赖core1中的逻辑A先执行：

• 正常情况下，逻辑A执行完之后再执行逻辑B。
• 在处理器乱序执行优化情况下，有可能导致flag 提前被设置为true，导致逻辑B先于逻辑A执行。

Java内存模型

由上面的内容可知，导致可见性的原因是缓存，导致有序性的原因是编译优化，导致原子性的原因是线程间的切换。JMM是一种规范，目的是解决由于多线程通过共享内存进行通信时，存在的本地内存数据不一致、编译器会对代码指令重排序、处理器会对代码乱序执行等带来的问题。
Java内存模型提出目标就在于，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。

Java内存模型组成结构

内存间交互操作

8种基本操作

lock(锁定)，作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
unlock(解锁)，作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
read(读取)，作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的 load 动作使用。
load(载入)，作用于工作内存的变量，它把 read 操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
use (使用)，作用于工作内存的变量，它把工作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需要使用到变量的值的字节码指令时就会执行这个操作。
assign(赋值)，作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，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作。
store(存储)，作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后write操作使用。
write(写入)，作用于主内存的变量，它把Store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

8种操作同步的规则

规则1：如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺序的执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序的执行store和write操作。
但 Java 内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。
规则2：不允许read和load、store和write操作之一单独出现。
规则3：不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
规则4：不允许一个线程无原因的（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
规则5：一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（load或assign）的变量。
即对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了load或assign操作。
规则6：一个变量在同一个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。所以lock和unlock必须成对出现。
规则7：如果对一个变量执行lock操作，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。
规则8：如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
规则9：对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）。

内存模型的3大特性

介绍完Java内存模型的相关操作和规则，我们再整体回顾一下这个模型的特征。 Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的，我们逐个来看一下哪些操作实现了这3个特性。
原子性（Atomicity）：由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、 load、assign、 use、 store和write，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（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可以了，无须太过在意这些几乎不会发生的例外情况）。如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证（经常会遇到），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来隐式地使用这两个操作，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。
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的，无论是普通变量还是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保证了多线程操作时变量的可见性，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“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）”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”的引用传递出去（this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那在其他线程中就能看见final字段的值。 如下代码所示，变量i与j都具备可见性，它们无须同步就能被其他线程正确访问。
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程序中天然的有序性可以总结为一句话：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”（Within-Thread As-If-Serial Semantics），后半句是指“指令重排序”现象和“工作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地进入。

先行发生原则（happens-before）

如果Java内存模型中所有的有序性都仅仅靠volatile和synchronized来完成，那么有一些操作将会变得很烦琐，但是我们在编写Java并发代码的时候并没有感觉到这一点，这是因为Java语言中有一个“先行发生”（happens-before）的原则。这个原则非常重要，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，我们可以通过几条规则一揽子地解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题。
下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系，这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。 如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来的话，它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序：
1.程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。 准确地说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、 循环等结构。
2.管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。 这里必须强调的是同一个锁，而“后面”是指时间上的先后顺序。
3.volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的“后面”同样是指时间上的先后顺序。
4.线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread对象的start（）方法先行发生于此线程的每一个动作。
5.线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join（）方法结束、 Thread.isAlive（）的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
6.线程中断规则（Thread Interruption Rule）：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，可以通过Thread.interrupted（）方法检测到是否有中断发生。
7.对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize（）方法的开始。
8.传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

参考：
Java内存模型原理，你真的理解吗？
可见性、原子性和有序性问题：并发编程Bug的源头
再有人问你Java内存模型是什么，就把这篇文章发给他
Java内存模型
《深入理解Java虚拟机高级特性》