Java内存模型与线程02：主内存和工作内存

一、引言

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型(Java Memory Model，JMM)来拼搏掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序直接在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。在此之前，主流编程语言(C、C++等)直接使用物理硬件和操作系统的内存模型，因此，会由于不同平台上内存模型的差异，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发访问却经常出错，因此，在某些场景就必须针对不同的平台来编写程序。

定义Java内存模型并非一件容易的事情，这个模型必须定义得足够严谨，才能让Java的并发内存访问操作不会产生歧义；但是，也必须定义得足够宽松，使得虚拟机的实现有足够的自由空间去利用硬件的各种特性(寄存器、高速缓存和指令集中某些特有的指令)来获取更好的执行速度。经过长时间的验证和修补，在JDK1.5(实现了JSR-133，Java Memory Model and Thread Specification Revision，Java内存模型和线程规范修订)发布后，Java内存模型已经成熟和完善起来了。

二、主内存与工作内存

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(Variables)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，但不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的(注意，如果局部变量是一个reference类型，它引用的对象在Java堆中可能被各个线程共享，但是reference本身在Java栈的局部变量表中，它是线程私有的)，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。为了获得较好的执行效能，Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互，也没有限制即时编译器进行调整代码执行顺序这类优化措施。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中(此处主内存与介绍物理硬件时的主内存名字一样，两者也可以互相类比，但此处仅是虚拟机内存的一部分)。每条线程还有自己的工作内存(Working Memory，可与前面讲的处理器高速缓存类比)，线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作(读取、赋值等)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，线程间变量值得传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下图所示：

这里所讲的主内存、工作内存与Java堆、栈、方法区不是一个层次的内存划分，这两者基本是没有关系的。如果两者一定要勉强对应起来，那从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分，二工作内存则主要对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低层次来说，主内存就直接对应于物理硬件的内存，而为了获取更好的运行速度，虚拟机(甚至是硬件系统本身的优化措施)可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中，因为程序运行时主要访问的读写的是工作内存。