JUC并发编程—— JMM （Java内存模型）

JUC并发编程—— JMM （Java内存模型）

1、JMM 概述

什么是 JMM

Java内存模型（Java Memory Model ,JMM）就是一种符合内存模型规范的，屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。

内存划分

JMM规定了内存主要划分为主内存和工作内存两种。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了该线程中是用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存。

不同的线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量的传递均需要自己的工作内存和主存之间进行数据同步进行。

但是这样就会出现一个问题，因为Java的并发采用的是共享内存模型，当一个线程修改了自己工作内存中变量，对其他线程是不可见的，会导致线程不安全的问题。因为JMM制定了一套标准来保证开发者在编写多线程程序的时候，能够控制什么时候内存会被同步给其他线程。

内存交互

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，Java内存模型定义了以下8种具体的操作来完成：

（1）lock，锁定，作用于主内存的变量，它把主内存中的变量标识为一条线程独占状态；

（2）unlock，解锁，作用于主内存的变量，它把锁定的变量释放出来，释放出来的变量才可以被其它线程锁定；

（3）read，读取，作用于主内存的变量，它把一个变量从主内存传输到工作内存中，以便后续的load操作使用；

（4）load，载入，作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存得到的变量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，它把工作内存中的一个变量传递给执行引擎，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变量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使用这个操作；

（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递到主内存中，以便后续的write操作使用；

（8）write，写入，作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存得到的变量的值放入到主内存的变量中；

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要按顺序地执行read和load操作，同样地，如果要把一个变量从工作内存同步回主内存，就要按顺序地执行store和write操作。注意，这里只说明了要按顺序，并没有说一定要连续，也就是说可以在read与load之间、store与write之间插入其它操作。比如，对主内存中的变量a和b的访问，可以按照以下顺序执行：

read a -> read b -> load b -> load a。

JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则：

（1）不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许出现从主内存读取了而工作内存不接受，或者从工作内存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assign操作，即变量在工作内存变化了必须把该变化同步回主内存；

（3）不允许一个线程无原因地（即未发生过assign操作）把一个变量从工作内存同步回主内存；

（4）一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）过的变量，换句话说就是对一个变量的use和store操作之前必须执行过load和assign操作；

（5）一个变量同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一个线程执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才能被解锁。

（6）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；

（7）如果一个变量没有被lock操作锁定，则不允许对其执行unlock操作，也不允许unlock一个其它线程锁定的变量；

（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，即执行store和write操作；

注意，这里的lock和unlock是实现synchronized的基础，Java并没有把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了两个更高层次的指令来隐式地使用这两个操作，即moniterenter和moniterexit。

2、JMM 实现三个特性

JMM 如何实现并发编程的三个特性？

1、原子性

原子性是指一段操作一旦开始就会一直运行到底，中间不会被其它线程打断，这段操作可以是一个操作，也可以是多个操作。

由Java内存模型来直接保证的原子性操作包括read、load、user、assign、store、write，我们可以大致认为基本类型变量的读写是具备原子性的。

2、可见性

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其它线程能立即感知到这种变化。

Java内存模型是通过将在工作内存中的变量修改后的值同步到主内存，在读取变量前从主内存刷新最新值到工作内存中，这种依 赖主内存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，区别在于：volatile的特殊规则保证了volatile变量值修改后的新值立刻同步到主内存，每次使用volatile变量前立即从主内存中刷新，因此volatile保证了多线程之间的操作变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

除了volatile之外，还有两个关键字也可以保证可见性，它们是synchronized和final。

3、有序性

有序性用一句话可以总结为：在本线程内观察，操作都是有序的；如果在一个线程中观察另外一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行语义（WithIn Thread As-if-Serial Semantics）”,后半句是指“指令重排”现象和“工作内存和主内存同步延迟”现象。

Java中提供了volatile和synchronized两个关键字来保证有序性。

volatile天然就具有有序性，因为其禁止重排序。

synchronized的有序性是由“一个变量同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获取的。

参考文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/153296410