16 Java内存模型与线程_Java内存模型
特别说明：本篇侧重理论，涉及的定义和结论，都是基于Java虚拟机规范定义或者由规范推导出来。因此学习本篇内容前，必须对虚拟机有深入的理解，特别是字节码指令部分。
1 Java内存模型背景
计算机为了弥补处理器与内存的访存速度差异，引入高速缓存，构成存储器层次结构（详情参考3、计算机系统漫游 。
带来新问题：缓存一致性(缓存\内存为准？)，为此引入协议来解决一致性的问题（协议：MSI监听高速缓存一致性协议、MESI、MOSI等）
Java内存模型目的：屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，让Java程序在多平台下达到相同的内存访问效果
Java内存模型主要职责：定义变量的访问规则，聚焦虚拟机执行变量值存储到内存和从内存中取出变量的底层细节
2 主内存与工作内存
内存模型只关注共享变量：实例字段、静态字段、构成数组对象的元素。不包括局部变量、方法参数。（以下皆指共享变量）
内存模型定义变量访存规则：
- 变量存储在主内存中
- 每条线程有自己的工作内存
- 工作内存中保存被访问变量的主内存副本
- 线程对变量的所有操作（读取、赋值）都必须在工作内存中进行，不能直接读写主内存中的数据
- A线程不能访问B线程工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。
3 内存间交互及约束
内存模型定义了内存访问的八种原子操作指令：
- 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
- 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，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。
- 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，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。
- 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。
内存模型规定了8种基本操作的约束：
- 不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现，即不允许read和load、store和write操作之一单独出现，
- 不允许一个线程丢弃它最近的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的变量，换句话说就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行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操作以初始化变量的值
- 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）
一般操作有：read-load从主内存复制变量到当前工作内存，use-assign执行代码改变共享变量值，store-write用工作内存数据刷新主存相关内容。
4 volatile变量特性
volatile变量两项特性：
- 变量可见性：变量被一个线程修改了，其它线程即时知晓
- 禁止指令重排序优化
更多了解，关注volatile专题：4、Java并发 - volatile详解
5 原子性、可见性、有序性
Java内存模型本质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。
5.1 原子性
read、load、assign、use、store和write等操作具备原子性
lock和unlock提供更大范围原子性，对应字节码命令：monitorenter、和monitorexit，上层包装：synchronized关键字。
更多了解，关注synchronized专题：Java并发 - synchronized详解
5.2 可见性
Java可见性定义：当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。
volatile、synchronized、final都能够确保变量可变性
- synchronized可见性原理：通过：“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”规则获得
- final可见性原理：被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，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。关注final专题：Java关键词final解读
5.3 有序性
分析两句话：
- 如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的 -- 因为线程内操作是串行的
- 如果在一个线程中观察另一个线程， 所有的操作都是无序的 -- 因为“指令重排序”、“工作内存与主内存同步延迟”决定的
volatile、synchronized都能够确保变量有序性
volatile确保有序性
synchronized有序性原理：通过“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”规则获得，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。
-------------synchronized看起来很全能
6 先行发生原则
为什么有出现这个原则？ Java内存模型定义了变量访问的八种操作，及其使用规范。假如要求开发者都按照这些约束来编程，那将很麻烦。因此Java虚拟机在底层实现了先行发生原则，让开发者可以无感知地编程
- 程序次序规则：在一个线程内，按照控制流顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
- 管程锁定规则：unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作
- volatile变量规则：volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
- 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
- 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。（Thread::join()、Thread::isAlive()检测是否终止）
- 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于检测线程是否中断的方法（Thread::interrupted()）
- 对象终结规则：对象构造函数执行结束（初始化完成）先行发生于它的 finalize()方法的开始。
- 传递性：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出：操作A先行发生于操作C
再次提示：以上规则由Java虚拟机在字节码指令执行层面实现，编程时无需特别处理。
特别地：
衡量两个操作执行顺序，应该以先行发生原则为准，而非操作发生的时间先后顺序
7 总结
本篇内容偏理论规范，应该着重思考：实际应用中如何体现这些规范，而非思考规范本身
