Java多线程内存模型

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并发效果。在此之前，主流程序怨言(如C/C++等)直接使用物理硬件(或者说操作系统的内存模型)，因此，会由于不同的平台上内存模型差异，导致程序在一套平台上并发完成正常，而在另一套平台上并发访问却经常出错，因此经常需要针对不同的平台来编写程序。

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，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量(Variable)与java编程中所说的变量略有不同，它包括实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量和方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不存在竞争问题。为了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特定的寄存器或缓存来和主内存交互，也没有限制即时编译器调整代码执行顺序这类权利。

Java内存模型规定了所有变量度存储在主内存(Main Memory, 对应于物理硬件的主内存，但此处仅是虚拟机内存的一部分)中。每条线程还有自己的工作内存(Working Memory, 对应于处理器的cache), 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副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存的交互关系如下图所示：

这里讲的主内存、工作内存与java堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存划分。如果一定要勉强对应起来，那从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于java堆中对象的实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域；从更底层次来说，主内存就是硬件的内存，而为了获取更好的运行速度，虚拟机即硬件系统可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存cache中。

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存，如何从工作同步回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了八种操作来完成：

• lock(锁定)：作用于主内存的变量它拔一个变量标识为一条线程独占的状态。
• unlock(解锁)：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。
• read(读取)：作用于主内的变量，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，把read读取操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量拷贝中。
• use(使用)：作用于工作内存的变量，把工作内存中一个变量的值传递给java虚拟机执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量值的字节码指令时将会执行该操作。
• assign(赋值)：作用于工作内存变量，把一个从执行引擎接收到的变量的值赋值给工作变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码时将会执行该操作。
• store(存储)：作用于工作内存的变量，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)：作用于主内存的变量，把store操作从工作内存中得到的变量值放入主内存的变量中。

如果把一个变量从主内存复制到工作内存，那就需要顺序地执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步到主内存，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照顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也即是说read和load之间，store和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八种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可但工作内存不接受，或者从工作内存发起了回写但竹内薰不接受的情况出现。
• 不允许一个线程丢弃它的最近的assign赋值操作，即工作内存变量值改变之后必须同步回主内存。
• 只有发生过assign赋值操作的变量才需要从工作内存同步回主内存。
• 一个新变量只能在主内存中产生，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，即一个变量在进行use和store操作之前，必须先执行过assgin和load操作
• 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock锁定操作，但是lock锁定可以被一条线程重复执行多次，多次执行lock之后，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锁定操作，将会清空工作内存中该变量的值，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锁定，则不允许对这个变量进行unlock解锁操作，也不允许对一个被别的线程锁定的变量进行unlock解锁。
• 一个变量进行unlock解锁操作之前，必须先把此变量同步回主内存中(执行store和write操作)。

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