Java内存模型

由于计算机的存储设备与处理器的运算速度由几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不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（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速的运行，当运算结束再从缓存中同步回内存中，这样处理器就不需要等待缓慢的读写了。

基于告诉缓存的存储交互很好的解决了处理器与内存的速度矛盾，但这也为计算机系统带来更高的复杂度，因为他引入了一个新的问题：缓存一致性。在多处处理器系统中，每个系统都有自己的高速缓存，而他们有共享同一主内存。当多个处理器的运算任务都涉及到同一块内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致，如果真的发生这种状况，同步回到主内存时以谁的缓存数据为准呢？为了解决这一问题，各个处理器之间访问缓存时都遵循一些协议。  而内存模型，可以理解为，在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。

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。此处的变量与java编程中所说的变量有所区别，他包括了实例字段，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。

java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中（此处仅是指虚拟机内存的一部分），每条线程还有自己的工作内存，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，工作内存三者之间的交互关系如下：

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的实现细节，java内存模型中定义了8中操作来完成：lock(锁定),unlock(解锁),read(读取),load(载入),use(使用),assign(赋值),store(存储),write(写入)。

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序的执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序的执行store和write操作，java内存模型只要求上述操作是顺序的即可，不是必须连续的，中间可以插入其他操作。并且，内存模型规定了再执行这8种基本操作时必须满足以下规则：

1不允许write和load，store和write操作一个单独出现，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最近的assgin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（没有发生任何assgin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或assgin）的变量，换句话说，就是对一个变量进行use,store操作之前，必须先执行了assgin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反复执行多次，多次执行lock后，只有执行了相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。

6如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作中内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load和assgin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和write）。

Volatile两个特性:

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，而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存完成。

第二是禁止指令重排序优化，普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有的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。

 

原子性,可见性与有序性：

原子性：

由java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括，read，load，assgin，use，store和write，如果需要更大范围的原子性，还可以用lock和unlock操作满足需求，虚拟机并没有把lock和unclock操作直接开放给用户使用，可以使用Synchronized块的操作也是原子性。

可见性：

java内存模型是通过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，而二者的区别是，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，而普通变量不能保证这一点。

Synchronized和final也可以实现可见性，同步可见性是由“对一个变量执行unclock操作前，必须把此变量同步回主内存中”获得的，final是指被其修饰的字段，在构造器中一旦完成初始化操作。并且构造器没有把this的引用传递出去，那么在其他线程中就能看到final的值。

有序性：

java提供了volatile和Synchronized来保证有序性，volatile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”获得的