搞定JVM系列（六）：Java 内存模型详解

一、为啥需要内存模型

简单点说就是：硬件的不断升级导致了缓存一致性问题、处理器器优化的指令重排问题，需要一个统一的机制来保证并发编程中共享内存的正确性（可见性、有序性、原子性）。这就是内存模型，她定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范。

由于计算机的存储设备与处理器的运算能力之间有几个数量级的差距，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，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中没这样处理器就无需等待缓慢的内存读写了。基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是引入了一个新的问题：缓存一致性（Cache Coherence）。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而他们又共享同一主存，如下图所示：多个处理器运算任务都涉及同一块主存，需要一种协议可以保障数据的一致性，这类协议有MSI、MESI、MOSI及Dragon Protocol等。

二、Java 内存模型（并发内存模型）

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。

她保证了并发编程中共享内存的正确性（可见性、有序性、原子性）。

1、主内存与工作内存

java内存模型中规定了所有变量都存贮到主内存（如虚拟机物理内存中的一部分）中。每一个线程都有一个自己的工作内存(如cpu中的高速缓存)。线程中的工作内存保存了该线程使用到的变量的主内存的副本拷贝。线程对变量的所有操作（读取、赋值等）必须在该线程的工作内存中进行。不同线程之间无法直接访问对方工作内存中变量。线程间变量的值传递均需要通过主内存来完成。

这里的主内存、工作内存与Java内存区域的Java堆、栈、方法区不是同一层次内存划分。

2、内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间的具体交互协议，即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到主内存之间的实现细节，Java内存模型定义了以下八种操作来完成：

1. lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
2. unlock（解锁）：作用于主内存变量，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）：作用于主内存变量，把一个变量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，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用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，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
8. write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

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read和load操作，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。

3、重排序

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器经常会对指令进行重排序。重排序分成三种类型：

1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义放入前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
2. 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
3. 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

从Java源代码到最终实际执行的指令序列，会经过下面三种重排序：

为了保证内存的可见性，Java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。Java内存模型把内存屏障分为LoadLoad、LoadStore、StoreLoad和StoreStore四种。

4、同步机制

同步机制主要使用volatile、synchronized和final关键字。这里只写下volatile。

关键字volatile是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，处理多线程的问题时synchronized和volatile都可以用来同步处理，volatile更轻量。Java内存模型对volatile专门定义了一些特殊的访问规则，当一个变量被定义成volatile之后，他将具备两种特性：

• 保证此变量对所有线程的可见性。第一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。而普通变量是做不到这点，普通变量的值在线程在线程间传递均需要通过住内存来完成，例如，线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行会写，另外一个线程B在线程A回写完成了之后再从主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。另外，java里面的运算并非原子操作，会导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。
• 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依赖赋值结果的地方都能获得正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序中的执行顺序一致，在单线程中，我们是无法感知这一点的。

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比阿尼浪共同参与不变约束。

5、原子性、可见性与有序性

Java内存模型是围绕着在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，我们逐个看下哪些操作实现了这三个特性。

1. 原子性（Atomicity）：由Java内存模型来直接保证的原子性变量包括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。如果应用场景需要一个更大方位的原子性保证，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来隐式的使用这两个操作，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块之间的操作也具备原子性。
2. 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。上文在讲解volatile变量的时候我们已详细讨论过这一点。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的，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，以及每次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，Java还有两个关键字能实现可见性，即synchronized和final.同步快的可见性是由“对一个变量执行unlock操作前，必须先把此变量同步回主内存”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，那么在其他线程中就能看见final字段的值。
3. 有序性（Ordering）：Java内存模型的有序性在前面讲解volatile时也详细的讨论过了，Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：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外一个线程，所有的线程操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行的语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。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“一个变量在同一个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的进入。