Java内存模型

并发编程模型

　　并发编程中需要处理的两个关键性的问题是：线程之间的通信以及线程之间的同步。在命令式编程中，有两种通信方式：共享内存和消息传递

• 共享内存：读写内存中公共状态来隐式实现线程之间的通信，共享内存通信的同步机制是显示进行的，程序开发人员需要在某个代码或者某个方法显示的进行互斥执行
• 消息传递：通过明确的发送消息来实现通信，线程之间没有公共状态，消息传递通信的同步机制是隐式的，消息的发送在接收之前

Java的通信机制是共享内存

 

内存模型

　　在计算机中，数据的读写涉及到CPU和内存，由于CPU的处理速度非常快，而从内存中进行读写的速度慢，这样导致指令执行速度降低，所以CPU里面引入了高速缓存。数据的读写的过程就是先从内存中读取数据到高速缓存中，然后在高速缓存中计算，最后把最终结果写回至内存中。这种处理机制在单线程中是没有问题的，但是在多CPU，每条线程可能运行在不同的CPU中，这样就是导致一个问题，一个变量在不同的CPU都存在缓存，这样都存在数据的一致性问题。

 

如何解决这个问题？

1. 在总线上加LOCK锁
2. 通过缓存一致性协议

在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。这样处理效率比较低下。所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

 

Java内存模型（JMM）

　　JMM 定义个一个线程的写入何时对另外线程可见，可以理解为JMM是对计算机内存模型的一个抽象。在JMM中，共享变量存储在主内存中（计算机存储在内存中），每个线程拥有自己独立的本地内存（计算机每个线程有自己的高速缓存），JMM中线程的读写是先从主内存读取值到自己本地内存，在本地内存中进行读写，最后将最终结果刷新到主内存中。

内存间的交互操作

在JMM模型定义了八种操作

• lock（锁定）：作用于主内存变量，把一个变量标识为一个线程独占的状态
• 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，释放后的变量可以被其他线程锁定
• read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量的值从主内存中传输到线程的工作内存中，以便随后的load操作使用
• load（加载）：作用于工作内存变量，把read操作从主内存的读取的变量的值放入到工作内存的变量副本中
• use（使用）：作用于工作内存变量，把工作内存变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机需要使用这个变量的字节码的指令时都会执行这个操作
• assign（赋值）：作用于工作内存变量，把一个从执行引擎得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）：作用于工作内存变量，将工作内存的变量的值传送到主内存中，以便后续的write操作使用
• write（写入）：作用于主内存变量，把store操作从工作内存得到的值写入到主内存变量中

从主内存复制到工作内存，必须顺序执行 read 和 load 操作，从工作内存复制到主内存，必须顺序执行 store 和 write 操作

JMM规定执行以上八个操作的规则：

• 不允许read和load、store和write 单一出现，也就是说需要成双成对对线
• 不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，就是说工作内存变量发生改变，必须将改变同步至主内存中
• 不允许线程无原因（没有发生assign操作）把工作内存变量同步至主内存中
• 对一个变量执行store和write操作执行，必须执行过了assign和load操作
• 一个变量只能有一个线程执行lock操作，一个线程可以执行多个lock，但是对应的需要执行同样的unlock操作
• 对一个变量执行lock操作，会清空工作内存此变量的值，在执行引擎使用该变量的前，需要执行load和assign操作
• 在执行unlock之前，必须将变量的改变同步到主内存中，就是执行store和write操作
• lock和unlock需要成双成对出现

 

原子性/可见性/有序性

　　Java内存模型是按照原子性、可见性、有序性三个特征来建立的。并发需要正确的执行，需要保证原子性 可见性 有序性，有一个没保证有可能会导致运行不正确。

• 原子性：一个操作或者多个操作要么全部执行而且执行过程不被打断，要么全部不执行。
• 可见性：多个线程访问一个变量，一个线程修改了共享变量，其他线程能立刻看到这个变量的修改
• 有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行

　　在JMM中如何保证原子性 可见性 有序性

1. 在Java内存模型中，只保证基本数据类型的读写是原子性操作，如果需要保证多范围的原型性，需要通过同步控制，可以使用 synchronized 和 lock来实现，保证同一时刻只有一个线程执行该代码块。
2. 对于可见性，Java中提供了volatitle保证可见性。 通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。
3. 在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。 在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，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。
4. 在JMM中，有一些先天的有序性，不需要任何手段保证有序性，称为happen-before原则

 

happen-before原则

1. 程序的次序原则：一个线程内，按照代码的次序，每一个操作happen-before于后续动作
2. 锁规则：解锁unlock happen-before于加锁 lock
3. volatile原则：对一个volatile变量的写 happen-before于对volatile变量的读
4. 传递性：A happen-before B，B happen-before C => A happen-before C
5. 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
6. 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
7. 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
8. 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始