Java内存模型

java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model， 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。在此之前，主流程序语言（C/C++）直接使用物理硬件和操作系统的内存模型，因此，会由于不同平台上内存模型的差异，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另一套平台上并发访问却经常出错，因此在某些场景就必须针对不同的平台来编写程序。

定义Java内存模型并非一件容易的事情，这个模型必须定义的足够严谨，才能让Java的并发内存访问操作不会产生歧义；但是，也必须得定义得足够宽松，使得虚拟机的实现有足够的自由空间去利用硬件的各种性能（寄存器、高速缓存和指令集中某些特有的指令）来获取更好的执行速度。经过长时间的验证和修补，在JDK1.5发布后，Java内存模型已经成熟和完善起来了。

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，即在虚拟机中奖变量存储到内存和从内存中取出变量这样的低层细节。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，因为后者线程私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。为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的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（此处的主内存与介绍物理硬件时的主内存名字一样，两者也可以互相类比，但此处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拷贝副本。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如下图所示：

内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间的交互协议，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回主内存之类的实现细节，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下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的。

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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转递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用的变量的值的字节码指令时就会执行这个操作。
• 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。
• 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。
• write 写入，作用于工作内存的变量，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复制到工作内存，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，就要顺序地执行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。而没有保证是连续执行。也就是说，read与load之间、store与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，一种可能出现的顺序是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中基本操作时必须满足如下规则：

• 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。
• 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。
• 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何的assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
• 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assign）的变量，换句话说，就是对一个变量实施use、sotre操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
• 一个变量在同一个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。
• 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或assign操作初始化变量的值。
• 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。
• 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8种内存访问操作以及上述规定限制，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在并发下是安全的。由于这种定义相当严谨但又十分繁琐，实现起来很麻烦。可以用一个等效判定原则--先行发生原则（happen-before）来确定一个访问在并发环境下是否安全。

reference

• 《深入理解Java虚拟机 -- JVM高级特性与最佳实践（第二版）》