并发编程（四）JMM内存模型

 文章更新时间：2021/07/10

一、什么是JMM

　　概念：Java内存模型是一种抽象的概念，并不真实存在，定义了Java程序在各种平台下对内存访问的机制及规范。

　　PS：线程是程序运行的载体

　　图示：

　　解析：首先我们要明确一点：内存模型主要是影响线程共享的内存可见性问题，Java线程之间的通信由Java内存模型【JMM】控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。

　　从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：

• 线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中
• 每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。

　　PS：本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在，它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

主内存

　　主要存储的是Java实例对象，所有线程创建的实例对象都存放在主内存中。

　　PS：由于是共享数据区域，多条线程对同一个变量进行访问可能会发生线程安全问题。

工作内存

　　主要存储当前方法的所有本地变量信息【工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝】。

　　每个线程只能访问自己的工作内存，即线程中的本地变量对其它线程是不可见的，就算是两个线程执行的是同一段代码，它们也会各自在自己的工作内存中创建属于当前线程的本地变量，当然也包括了字节码行号指示器、相关Native方法的信息。

　　PS：由于工作内存是每个线程的私有数据，线程间无法相互访问工作内存，因此存储在工作内存的数据不存在线程安全问题。

　　PS：在主内存中的实例对象可以被多线程共享，倘若两个线程同时调用了同一个对象的同一个方法，那么两条线程会将要操作的数据拷贝一份到自己的工作内存中，执行完成操作后才刷新到主内存。

二、JMM在线程通信中起到的作用

　　线程A与线程B之间如要通信的话，必须要经历下面2个步骤：

• 首先，线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
• 然后，线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

　　下面通过示意图来说明这两个步骤：

 　　解析：如上图所示，本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本，那么在实现通信时，JMM内存模型是这样展现的：

• 假设初始时，这三个内存中的x值都为0。
• 线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中。
• 当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中，此时主内存中的x值变为了1。
• 随后，线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1，线程通信完成

三、JMM内存模型与JVM内存结构的区别

JMM【Java内存模型】：指的在java程序运行过程中，计算机有主内存，每个java线程有自己的工作内存。【主要针对多线程使用内存的一种抽象概念，看做一种规范】

JVM【Java内存结构】：讲的是Java虚拟机内存的结构划分，包括堆区，栈区，方法区等。【主要针对java内存的管理】

　　PS：JMM是抽象概念，并不真实存在。

　　PS：在概念理解时，尽量不要把JVM和JMM结合起来联想，这样很容易混淆，JMM是一种针对多线程的抽象概念和规范，我们应该先理解清楚了概念再整合实际内存进行理解。

四、数据同步的八大原子操作

• lock(锁定)：把一个变量标记为一条线程独占状态
• unlock(解锁)：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)：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)：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)：把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎
• assign(赋值)：把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量
• store(存储)：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)：把store操作从工作内存中的一个变量的值传送到主内存的变量中

五、并发编程的可见性，原子性与有序性问题

原子性

　　定义：原子性指的是一个操作是不可中断的，不可分割的，即使是在多线程环境下，一个操作一旦开始就不会被其他线程影响。

可见性

　　定义：可见性指的是当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程是否能够马上得知这个修改的值。

有序性

　　定义：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

　　对于单线程的执行代码，我们总是认为代码的执行是按顺序依次执行的，但对于多线程环境，则可能出现乱序现象【指令重排导致】，重排后的指令与原指令的顺序未必一致。

六、JMM如何解决原子性、可见性、有序性问题

原子性问题

　　除了JVM自身提供的对基本数据类型读写操作的原子性外，可以通过synchronized和Lock实现原子性。【synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程访问该代码块】

可见性问题

• volatile关键字可以保证可见性。
  • 当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值立即被其他的线程看到，即修改的值立即更新到主存中，当其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。
• synchronized和Lock也可以保证可见性。
  • 因为它们可以保证任一时刻只有一个线程能访问共享资源，并在其释放锁之前将修改的变量刷新到内存中。

有序性问题

　　可以通过synchronized和Lock来保证有序性。

　　synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

七、并发编程涉及的一些重要原则

as-if-serial语义

　　定义：不管怎么重排序【编译器和处理器为了提高并行度】，（单线程）程序的执行结果不能被改变。

　　为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序， 因为这种重排序会改变执行结果。

　　PS：如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序。

happens-before原则

1、程序顺序原则

　　在一个线程内必须保证语义串行性，也就是说按照代码顺序执行。

2、锁规则

　　解锁(unlock)操作必然发生在后续的同一个锁的加锁(lock)之前，即若对于一个锁解锁后，再加锁，那么加锁的动作必须在解锁动作之后(同一个锁)。

3、volatile规则

　　volatile的可见性保证：变量的写，先发生于读。

　　简单的理解就是，volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫将最新的值刷新到主内存，任何时刻不同的线程总是能够看到该变量的最新值。

4、线程启动规则

　　线程的start()方法先于它的每一个动作，即如果线程A在执行线程B的start()方法之前修改了共享变量的值，那么当线程B执行start()方法时，线程A对共享变量的修改对线程B可见。

5、传递性

　　A先于B ，B先于C 那么A必然先于C。

6、线程终止规则

　　场景：主线程A执行时，B线程调用Thread.join()方法。

• 假设在线程B终止之前修改了共享变量，线程A从线程B的join方法成功返回后，线程B对共享变量的修改将对线程A可见。

7、线程中断规则

　　对线程interrupt()方法的调用要比代码检测中断事件先发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测线程是否中断。

8、对象终结规则

　　对象的构造函数执行，结束先于finalize()【当垃圾回收器将要回收对象时执行】方法。PS：不推荐使用finalize()方法