深入理解JVM之Java内存模型tobecontinued...

要了解Java内存模型，首先我们要了解什么是Java内存模型，它有什么作用？

描述Java内存模型（简称：JMM）的规范提案JSR-133标题《Java Memory Model and Thread Specification》，通过这个标题，可以看出JMM是和线程相关的规范。此规范地指定的 JMM Web Site 上对规范的说明如下：

The Java Memory Model defines how threads interact through memory.

通过以上描述，说明JMM规范主要是解决在多线程场景下线程间如何通信。

硬件内存架构

要了解JMM，我们先来从硬件角度，看看多核CPU场景下，多线程程序会存在什么问题。

如上图所示，在多核（多CPU）硬件架构中，系统中有两个CPU，分布运行了一个线程，对象obj保存在主内存（RAM）中。由于RAM的速度远低于CPU，为了加快数据的访问，当CPU（线程）需要使用obj对象时，会预先把obj对象加载到CPU的缓存（CPU Cache）中，处理完毕后，再把对obj对象的更新回写到到RAM。

每个CPU有自己独立的缓存，一个CPU无法访问其他CPU的缓存，也就是CPU间无法直接交换数据，CPU间所有的数据交换都需要借助主内存来完成。

假设线程执行的是 +1 操作。在上图示例中，两个线程并发执行。初始状态，主内存中obj.num=1；线程1先读取了obj对象，并执行+1操作，结果obj.num=2；在线程1的修改还未从CPU缓存回写到主内存的时候，线程2从主内存中读取了obj对象，此时线程2读取到的obj.num=1；此后，线程1和线程2分别把obj回写到主内存；按正常业务逻辑，obj.num被+1了两次，结果应该是3，但上述情况，最终主内存中obj.num=2。这是因为两个线程对数据并发访问冲突导致线程读到的数据不一致。

Java内存模型

Java是平台无关的语言，为了实现跨平台运行，Java虚拟机（JVM）上运行的是Java字节码（Java bytecode）。Java内存模型(Java Memory Model，JMM)是Java虚拟机规范定义的，用来屏蔽掉Java程序在各种不同的硬件和操作系统对内存的访问的差异，实现Java程序在各种不同的平台上都能达到内存访问的一致性。和硬件内存架构类似，JMM把内存分为 主内存 和 工作内存 ，主内存由所有线程共享，工作内存为线程私有。

JMM规范主要定义程序变量操作的规则，规范中定义的主内存、工作内存的概念和JVM运行时内存分区中定义的堆、栈区域不是同一纬度的概念，不能互相对应，不过为了便于理解，可把主内存类比为堆，工作内存类比为栈。

虽然工作内存和栈可以类比，但两者是不同的概念。

JMM管理的程序变量，主要是指在对象实例字段、静态字段、构成数组字段的元素等，不包括方法参数、方法局部变量等保存在栈里的变量，因为栈本身就是线程私有的，并不存在线程一致性问题。

JMM规范规定所有的变量都要在主内存中产生，而线程不允许直接操作主内存中的变量，线程需要把变量副本拷贝到工作线程中进行操作，操作完后再回写到主内存。

主内存

JMM规定所有的变量都必须在主内存中产生。

工作内存

JVM中每个线程都有自己的工作内存，是线程私有的，可以类比CPU的高速缓存。线程的工作内存保存了线程需要的变量在主内存中的副本。

数据交互接口

JMM中定义了8个用于主内存和工作内存见数据互操作的接口，用于在两者间传输数据，这些操作都是原子性的。

1. lock(锁定)
   作用于主内存变量，属于互斥锁，一个变量同时只能一个线程锁定


2. unlock(解锁)
   作用于主内存变量，lock的反操作，释放变量的锁


3. read(读取)
   作用于主内存变量，表示把一个主内存变量的值传输到线程的工作内存，以便随后的load操作使用


4. load(载入)
   作用于线程工作内存变量，表示把read操作从主内存中读取的变量的值放到工作内存的变量副本中


5. use(使用)
   作用于线程工作内存变量，表示把工作内存中的一个变量的值传递给字节码指令


6. assign(赋值)
   作用于线程工作内存变量，表示把字节码指令执行返回的结果赋值给工作内存中的变量，字节码赋值操作


7. store(存储)
   作用于线程工作内存变量，把工作内存中的一个变量的值传递给主内存，以便随后的write操作使用


8. write(写入)
   作用于主内存变量，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

数据交互原则

1. 变量只能在主内存中产生。


2. 线程对主内存变量的操作必须在线程的工作内存中进行，不能直接操作主内存中的变量。


3. 不同的线程之间也不能相互访问对方的工作内存。线程之间需要传递变量的值，必须通过主内存来作为中介进行传递。


4. read和load操作、store和write必须成对使用，即：不允许从主内存中读取了变量，工作内存不接收，或者工作内存回写了变量，主内存不接收。


5. assign操作后的变量必须回写到主内存。


6. 不允许回写没有修改（即未assign）的变量到主内存。


7. 一个变量同时只能被一个线程对其进行lock操作，但是同一个线程对一个变量加锁后，可以继续加锁，同时在释放锁的时候释放锁次数必须和加锁次数相同。


8. 对变量执行lock操作，就会清空工作空间该变量的值，使用时需要重新读取；对一个变量执行unlock之前，必须先把变量同步回主内存中。

内存并发一致性原则

上述的内存并发一致性问题，在JMM中定义了三个原则来避免，分别是原子性、可见性和有序性。

原子性

可见性

可见性是指一个线程修改了一个变量的值后，其他线程立即可以读取到这个变量的最新值。

有序性

为了使处理器内部运算单元尽可能被充分利用，处理器还会对输入的代码进行乱序执行(Out-Of-Order Execution)优化，处理器会在乱序执行之后的结果进行重组，保证结果的正确性，也就是保证结果与顺序执行的结果一致。但是在真正的执行过程中，代码执行的顺序并不一定按照代码的书写顺序来执行，可能和代码的书写顺序不同。

参考资料

1. JSR-133: JavaTM Memory Model and Thread Specification


2. The Java Memory Model