Java内存模型JMM与多线程

首先注意的是JMM（Java Memory Model）Java内存模型与JVM的内存结构不是一个概念，前者常和多线程相关。

缓存一致性

我们知道线程是CPU调度的最小单元，线程中的字节码指令最终都会在CPU中被执行，所以它免不了和各种数据打交道，而Java中所有的数据是存放在主内存（RAM）中的，随着CPU技术的发展，CPU的执行速度越来越快，但内存的技术并没有太大的变化，所以在内存中读取和写入数据的过程和CPU执行的速度比起来，差距越来越大，CPU对主存的访问需要等待较长时间，降低了CPU的执行效率。因此后来，为了弥补这个问题，在CPU中加入了高速缓存作为缓冲，在执行任务时，CPU会先将运算所需要使用到的数据复制到高速缓存中，让运算能够快速执行，当运算完成之后，再将缓存中的结果刷回到主内存，这样CPU就不用等待主内存的读写操作了。

然而，每个处理器都有自己的高速缓存，同时又操作同一块主存，当多个处理器同时操作主内存时，可能就会导致数据不一致，这就是缓存一致性问题。

指令重排

另外除了上面缓存一致性问题以外，处理器或者编译器为了提高运算效率，可能会对输入的字节码指令进行重新排序，也就是优化

int a = 1;
int b = 2;
a = a + 1;

// 多上面三行语句使用javap编译成字节码后：
public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: iconst_1
         1: istore_1
         2: iconst_2
         3: istore_2
         4: iload_1
         5: iconst_1
         6: iadd
         7: istore_1
         8: return
       ……
}
// 优化后：
0: iconst_1
1: iconst_1
2: iadd
3: istore_1
4: iconst_2
5: istore_2

// 相当于：
int a = 1;
a = a + 1;
int b = 2;         

上面指令7 并不依赖指令2和指令3，这样CPU就会对其进行优化，也就是说，CPU或编译器指令的重排，可能对执行结果产生影响，最后导致在不同平台、硬件、操作系统输出结果不一致。

为了解决上面问题，Java虚拟机提出了一套机制——Java内存模型

JMM

内存模型是一套共享内存系统中多线程读写操作行为的规范，这套规范屏蔽了底层各种硬件和操作系统的内存访问差异，解决了 CPU 多级缓存、CPU 优化、指令重排等导致的内存访问问题，从而保证 Java 程序（尤其是多线程程序）在各种平台下对内存的访问效果一致。

JMM分为主内存和工作内存两种，其中工作内存是对CPU中寄存器或者高速缓存的抽象，而线程之间的共享变量存储在主内存，每个线程都有一个工作内存，本地工作内存存储了该线程读/写变量的副本。

Java中采用的共享内存的方式完成两个线程之间通信：

1. 线程A把工作内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
2. 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。

这样一来，就完成了线程A到线程B的通信。JMM通过主内存与每个线程工作内存的交互来为Java程序提供内存可见性保证。

为了支持 JMM，Java 定义了 8 种原子操作（Action），用来控制主存与工作内存之间的交互。

1. read（读取）作用于主内存，它把变量从主内存传动到线程的工作内存中，供后面的 load 动作使用。

2. load（载入）作用于工作内存，它把 read 操作的值放入到工作内存中的变量副本中。

3. store（存储）作用于工作内存，它把工作内存中的一个变量传送给主内存中，以备随后的 write 操作使用。

4. write （写入）作用于主内存，它把 store 传送值放到主内存中的变量中。

5. use（使用）作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时，将会执行这个动作。

6. assign（赋值）作用于工作内存，它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时，执行该操作。

7. lock（锁定）作用于主内存，把变量标记为线程独占状态。

8. unlock（解锁）作用于主内存，它将释放独占状态。

   

三大特征

原子性

原子性指的是一个操作是不可分割，不可中断的，一个线程在执行时不会被其他线程干扰。

JMM 保证了 read、load、assign、use、store 和 write 六个操作具有原子性，可以认为除了 long 和 double 类型以外，对其他基本数据类型所对应的内存单元的访问读写都是原子的。

如果要保证一个代码块的原子性，提供了monitorenter 和 moniterexit 两个字节码指令，也就是 synchronized 关键字。因此在 synchronized 块之间的操作都是原子性的。另外也可以用锁。

可见性

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程也能立即感知到这种变化。

Java是利用volatile关键字来提供可见性的。 当变量被volatile修饰时，这个变量被修改后会立刻刷新到主内存，当其它线程需要读取该变量时，会去主内存中读取新值。而普通变量则不能保证这一点。

除此之外，final和synchronized以及锁也能实现可见性。

synchronized以及锁是把更多个操作转化为原子化的过程，在执行完，进入unlock之前，必须将共享变量同步到主内存中。

final修饰的字段，一旦初始化完成，如果没有对象逸出（指对象为初始化完成就可以被别的线程使用），那么对于其他线程都是可见的。

有序性

文章开头提到过，除了多线程间无序性，还有一个造成无序的原因就是指令重排，而Java中，可以使用synchronized和锁或者volatile保证多线程之间操作的有序性。

synchronized和锁的原理是，一个线程lock之后，必须unlock后，其他线程才可以重新lock，使得被synchronized或者锁包住的代码块在多线程之间是串行执行的。

volatile关键字是使用内存屏障达到禁止指令重排序，以保证有序性。

内存屏障（Memory Barrier）用于控制在特定条件下的重排序和内存可见性问题。JMM 内存屏障可分为读屏障和写屏障，Java 的内存屏障实际上也是上述两种的组合，完成一系列的屏障和数据同步功能。Java 编译器在生成字节码时，会在执行指令序列的适当位置插入内存屏障来限制处理器的重排序。它分为这4类：

• LoadLoad 屏障：对于这样的语句Load1，LoadLoad，Load2。在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
• StoreStore屏障：对于这样的语句Store1， StoreStore， Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
• LoadStore 屏障：对于这样的语句Load1， LoadStore，Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
• StoreLoad 屏障：对于这样的语句Store1， StoreLoad，Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。

1. 在每个volatile读操作后插入LoadLoad屏障，在读操作后插入LoadStore屏障。

1. 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障，后面插入一个StreLoad屏障。

指令重排序是 JVM 为了优化指令，来提高程序运行效率的，在不影响单线程程序执行结果的前提下，按照一定的规则进行指令优化。在某些情况下，这种优化会带来一些执行的逻辑问题，在并发执行的情况下，按照不同的逻辑会得到不同的结果。

这里JMM有一个非常重要的原则：happens-before 即先行发生原则

它用于描述两个操作的内存可见性，通过保证可见性的机制可以让应用程序免于数据竞争干扰。即如果一个操作 A happens-before 另一个操作 B，那么操作 A 的执行结果将对操作 B 可见。上述定义我们也可以反过来理解：如果操作 A 的结果需要对另外一个操作 B 可见，那么操作 A 必须 happens-before 操作 B。

JMM默认定义了一些符合先行发生原则的规则：

• 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，写在前面的操作先行发生于写在后面的操作。
• 监视器锁定规则：unLock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。
• volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。
• 传递规则：如果操作 A 先行发生于操作 B，而操作 B 又先行发生于操作 C，则可以得出操作 A 先行发生于操作 C。
• 线程启动规则：对线程 start() 的操作先行发生于线程内的任何操作。
• 线程中断规则：对线程 interrupt() 的调用先行发生于线程代码中检测到中断事件的发生，可以通过 Thread.interrupted() 方法检测是否发生中断。
• 线程终结规则：线程中的所有操作先行发生于检测到线程终止，可以通过 Thread.join()、Thread.isAlive() 的返回值检测线程是否已经终止。
• 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于它的 finalize() 方法的开始。

综上，JMM 可以说是 Java 并发的基础，它的定义将直接影响多线程实现的机制。而原子性、可见性、有序性这三大特征几乎贯穿了整个并发编程，对于后面起到铺垫作用。