JVM——Java内存模型与线程

Java虚拟机规范中试图定义一种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。

1.1、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，因此后者是线程私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争的问题。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（此处的主内存仅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），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，线程间变量值的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图：

1.2、内存间交互操作

一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类得实现操作，Java内存模型中定义了8种操作来完成，虚拟机实现时必须保证它们的操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外）
1.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。
2.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。
3.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。
4.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。
5.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将会执行这个操作。
6.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值给工作内存的变量，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。
7.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，以便随后的write操作使用。
8.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。
如果要把一个变量从主内存赋值到工作内存，那就要顺序地执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，那就要顺序执行store和write操作。注意Java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行 ，而没有保证是连续执行。也就是说，read和load之间、store和write之间是可插入其他指令的，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。除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足下面的规则：
1.不允许read和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工作内存但不接受，或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
2.不允许一个线程丢弃它的最近的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地（没有发生过任何assign操作）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（load和assign）的变量，换句话说，就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
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和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，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）
这个8中内存访问操作以及上述规则限定，再加上稍后介绍的对volatile的一些特殊规定，就已经完全确定了Java程序中哪些内存访问操作再并发下是安全的。由于这种定义相当严谨但又十分繁琐，实践起来很麻烦。等效判断原则——先行发生原则，用来确定一个访问再并发环境下是否安全。

1.3、volatile

关键字volatile是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但是它并不容易完全被正确、完整地理解。
当一个变量定义为volatile之后，它将具备两种特性，第一保证此变量对所有线程来说是可以立即得知的。而普通变量不能做到这一点。普通变量的值再线程间传递均需要通过主内存来完成。volatile变量再各个线程的工作内存中不存在一致性问题（在各个线程的工作内存中，volatile变量也可以存在不一致的情况，但由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看不到不一致的情况，因此可以认为不存在一致性的问题），但是Java里面的运算并非原子操作，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。
由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁来保证原子性。
1.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。
2.变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。
使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通的变量仅仅回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”。指令重排序是并发编程中最容易让开发人员产生疑惑的地方。
假定T表示一个线程，V和W分别表示两个volatile型变量，那么在进行read、load、use、assign、store和write操作时需要满足如下规则：
1.只有当线程T对变量V执行的前一个动作是load的时候，线程T才能对变量V执行use动作；并且，只有当线程T对变量V执行的后一个动作是use的时候，线程T才能对变量V执行load操作。线程T对变量V的use动作可以认为是和线程T对变量V的load、use动作相关联，必须连续一起出现（这条规则要求在工作内存中，每次使用V前都必须先从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对变量V所做的修改后的值）
2.只有当线程T对变量V执行的前一个动作是assign的时候，线程T才能对变量V执行store动作，并且，只有当线程T对变量V执行的后一个动作是store的时候，线程T才能对变量V执行assign动作。线程T对变量V的assign动作可以认为是和线程T对变量V的store、write动作相关联，必须连续一起出现（这条规则要求在工作内存中，每次修改V后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程可以看到自己对变量V所作的修改）
3.假定动作A是线程T对变量V实施的use或assign动作，假定动作F是和动作A相关联的load或store动作，假定动作P是和动作F相应得对变量V得read或write动作；类似的，假定动作B是线程T对变量W实施的use或assign动作，假定动作G是和动作B相关联的load或store动作，假定动作Q是和动作G相应的对变量W的read或write。如果A先于B，那么P先于Q（这条规则要求volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，保证代码的执行顺序于程序的顺序相同）

1.4、原子性、可见性、有序性

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应到Java代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也是原子性的。
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，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，synchronized和final都实现了变量可见性。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，那在其他线程中就能看见final字段的值。
有序性（Ordering）：Java内存模型的有序性：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句”，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。

1.5、先行发生原则

如果Java内存模型中所有的有序性都仅仅靠volatile和synchronized来完成，那么有一些操作将回变得很繁琐，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语言的“先行发生（happens-before）”的原则。它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要数据，依靠这个原则，我们可以解决在并发情况下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题。
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先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。
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需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再此列，并且无法从下列规则推导出来的话，他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，因此要考虑分支、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”同样说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。