第十二章 Java内存模型与线程（一）

12.3 Java内存模型

12.3.1 主内存与工作内存

1.Java 内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中（此处的主内存与介绍物理硬件时提到的主内存名字一样，两者也可以类比，但物理上它仅是虚拟机内存的一部分）。

2.每条线程还有自己的工作内存（ Working Memory，可与前面讲的处理器高速缓存类比），线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的数据。

这里所讲的主内存、工作内存与第 2 章所讲的 Java 内存区域中的 Java 堆、栈、方法区等并不是同一个层次的对内存的划分，这两者基本上是没有任何关系的。

12.3.2 内存间交互操作

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、如何从工作内存同步回主内存这一类的实现细节， Java 内存模型中定义了以下 8种操作来完成。 Java 虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的：（注意作用在哪里的）

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把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）：作用于主内存的变量，它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，它把 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）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎(类似于操作数栈？)，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收的值赋给工作内存的变量，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）：作用于工作内存的变量，它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，它把 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

如果要把一个变量从主内存拷贝到工作内存，那就要按顺序执行 read 和 load 操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要按顺序执行 store 和 write 操作。注意， Java 内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，但不要求是连续执行。

Java 内存模型还规定了在执行上述 8 种基本操作时必须满足如下规则：(重要！！！)

• 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了但工作内存不接受，或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
• 不允许一个线程丢弃它最近的 assign 操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
• 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何 assign 操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
• 一个新的变量只能在主内存中“诞生”，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，换句话说就是对一个变量实施 use、 store 操作之前，必须先执行 assign 和 load 操作。
• 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作，但 lock 操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行 lock 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 操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行 load 或 assign 操作以初始化变量的值。
• 如果一个变量事先没有被 lock 操作锁定，那就不允许对它执行 unlock 操作，也不允许去 unlock 一个被其他线程锁定的变量。
• 对一个变量执行 unlock 操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行 store、write 操作）。

小结

可以看到变量的赋值以及获取，实际上都不是一个操作，而是两个操作（例如读：read + load），Java内存模型也并不保证这两个操作会是连续执行。

12.3.3 对于volatile型变量的特殊规则

当一个变量被定义成 volatile 之后，它将具备两项特性：

第一项是保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。

我的理解：如果某个工作内存修改了变量，那么一定会执行上面所说到的store和write指令，这两个执行必须按照这个顺序，但是不代表是连续执行的。那么也就是说，也许这个工作内存执行了store执行已经将变量改变了并且想要写回主存，对于这个值从逻辑上而言应该是store的新值但是如果没有及时执行write将变量写回主存的话，那么主存的值就是过期的数据，就没有让其他线程立即可见。因为如果写入主存的话由于缓存一致性规则，只要主存中的数据变动了，那么所有的工作内存中的数据都会失效，那么就保证了其他线程立即可见。结论：加了volatile的变量，store和write是连续执行的，而没加的不一定是连续的。

第二项是禁止指令重排序优化。

如果让 volatile 自己与自己比较，那可以确定一个原则：volatile 变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，但是写操作则可能会慢上一些，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。不过即便如此，大多数场景下 volatile 的总开销仍然要比锁来得更低。

Java内存模型对volatile变量定义的特殊规则的定义：

• load、 read 动作相关联的，必须连续且一起出现

  这条规则要求在工作内存中，每次使用 V 前都必须先从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对变量 V 所做的修改。

• store、 write 动作相关联的，必须连续且一起出现。

  这条规则要求在工作内存中，每次修改 V 后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程可以看到自己对变量 V 所做的修改

• 要求 volatile 修饰的变量不会被指令重排序优化，从而保证代码的执行顺序与程序的顺序相同

12.3.5 原子性、可见性与有序性

1.原子性（Atomicity）

​ 基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的（例外就是 long 和 double 的非原子性协定，读者只要知道这件事情就可以了，无须太过在意这些几乎不会发生的例外情况）。

2.可见性（Visibility）

​ 普通变量与 volatile 变量的区别是， volatile 的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。

​ 除了 volatile 之外， Java 还有两个关键字能实现可见性，它们是 synchronized 和final。

3.有序性（Ordering）

​ 如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内似表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics），后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

12.3.6 先行发生原则

最原始根本的语义。有些东西可能直观上发生的很符合逻辑，但是在计算机的世界里面都需要去约束，才能成为我们想要的东西。

• 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照控制流顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。注意，这里说的是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。
• 管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个 unlock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。这里必须强调的是“同一个锁”，而“后面”是指时间上的先后。
• volatile 变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个 volatile 变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，这里的“后面”同样是指时间上的先后。
• 线程启动规则（Thread Start Rule）： Thread 对象的 start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
• 线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，我们可以通过 Thread::join()方法是否结束、 Thread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止执行。
• 线程中断规则（Thread Interruption Rule）：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，可以通过 Thread::interrupted()方法检测到是否有中断发生。
• 对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的 finalize()方法的开始。
• 传递性（Transitivity）：如果操作 A 先行发生于操作 B，操作 B 先行发生于操作C，那就可以得出操作 A 先行发生于操作 C 的结论。

时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有因果关系，所以我们衡量并发安全问题的时候不要受时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。