java虚拟机-内存模型

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本文深入解析Java内存模型，包括主内存与工作内存的概念，以及两者之间的交互操作。介绍Java内存模型如何确保原子性、有序性和可见性，并阐述了先行发生原则在并发控制中的应用。

一、什么是Java内存模型

java虚拟机规范中定义一种Java内存模型试图来屏蔽各种操作系统和硬件访问之间的差异，JKD1.5之后，Java内存模型已经逐渐完善起来。

二、主内存和工作内存

1、 Java内存模型中主要定义了程序中各个变量间的访问规则，即在虚拟机中将变量储存到内存和从内存中取出变量的底层细节。此处的变量主要是实例变量，静态字段已经数组元素，因为局部变量和方法参数是线程所私有的，不会被共享，也就不会存在竞争。
2、Java内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程都有自己的工作内存，线程工作内存中保存了变量到主内存的副本拷贝，线程对变量所有的操作都必须在主工作内存中进行而不能直接读取主内存中的变量。线程之间变量的传递依靠主内存来完成。
线程之间关系交互图如下：
在这里插入图片描述

三、内存间交互操作

Java内存模型主要有八种操作，每个操作都是原子性操作，如下：
1、lock（锁定）：作用于主内存中的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
2、unlock（解锁）：作用于主内存中的变量，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）：作用于主内存中的变量，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，没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）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存中的变量，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）：作用于工作内存中的变量，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）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量值放入主内存的变量中。
操作的顺序执行

（1）如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺寻地执行以下两个操作：
先有jvm执行read（）操作，然后有线程的工作内存执行load（）操作
（2）相反如果需要把一个变量从工作内存中同步回主内存就需要顺序执行以下操作：
先有工作内存执行store（）操作，然后jvm执行write操作。
java虚拟机规定执行八种基本操作是必须满足以下基本要求：
1、不允许read（）load（），store（）write（）之一操作单独出现
2、不允许线程丢弃它最近的assign（）操作，即赋值之后必须同步回主内存
3、不允许一个线程无原因地把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
4、一个新的变量只能从主内存中诞生，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。
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、如果对同一个变量执行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，那就不允许对它进行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
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。

4、volatile变量的规则

VM的基本操作每个都是原子性操作，但是原子操作之间可能会发生中断。当一个线程更改了共享变量的值，因为线程之间是私有，其他线程之间不能马上知道变量的更改。

在这里插入图片描述
volatile关键应该是Java中最轻量的同步机制，一个变量被volatile定义后具有以下两种特性：
1、保证变量的可见性，但是注意一点它并不能保证安全性
2、使用volatile关键字可以禁止指令的重排序。可以保证变量的赋值顺序和代码执行顺序一致。

五、原子性、有序性、可见性

Java内存模型围绕着并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的，来逐个看一下：

原子性：
由Java内存模型来直接保证原子性变量操作包括read、load、assign、use、store、write，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的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock，尽管虚拟机没有把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。
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。volatile其实已经详细写了这一点，其实synchronized关键字也是可以实现可见性的，synchronized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"这条规则获得的。另外，final关键字也可以实现可见性，因为被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传递出去，那在其他线程中就能看见final字段的值。
有序性：
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，这条规则规定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

六、先行发生原则（happens—before）

1、如果Java内存模型中所有的有序性都仅仅靠volatile和synchronized来完成，那么有一些操作将变得很繁琐，但是我们在编写Java代码时并未感觉到这一点，这是因为Java语言中有一个"先行发生（happens-before）"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就判断出并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的问题。

2、所谓先行发生原则是指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，那么操作A产生的影响能够被操作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。Java内存模型下有一些天然的，不需要任何同步协助器就已经存在的先行发生关系：

1、程序次序规则：在一个线程内，按照控制流顺序，控制流前面的操作先行发生于控制流后面的操作，说"控制流"是因为还要考虑到分支、循环结构。

2、管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。

3、volatile变量规则：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。

4、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动作。

5、线程终止规则：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测。

6、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。

7、对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize()方法的开始。

8、传递新：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那么操作A必然先行发生于操作C。