Java內存模型

在前面談到了一些關于內存模型以及并發編程中可能會出現的一些問題。下面我們來看一下Java內存模型，研究一下Java內存模型為我們提供了哪些保證以及在java中提供了哪些方法和機制來讓我們在進行多線程編程時能夠保證程序執行的正確性。

在Java虛擬機規范中試圖定義一種Java內存模型(Java Memory Model，JMM)來屏蔽各個硬件平臺和操作系統的內存訪問差異，以實現讓Java程序在各種平臺下都能達到一致的內存訪問效果。那么Java內存模型規定了哪些東西呢，它定義了程序中變量的訪問規則，往大一點說是定義了程序執行的次序。注意，為了獲得較好的執行性能，Java內存模型并沒有限制執行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來提升指令執行速度，也沒有限制編譯器對指令進行重排序。也就是說，在java內存模型中，也會存在緩存一致性問題和指令重排序的問題。

Java內存模型規定所有的變量都是存在主存當中(類似于前面說的物理內存)，每個線程都有自己的工作內存(類似于前面的高速緩存)。線程對變量的所有操作都必須在工作內存中進行，而不能直接對主存進行操作。并且每個線程不能訪問其他線程的工作內存。

舉個簡單的例子：在java中，執行下面這個語句：

i   = 10;

執行線程必須先在自己的工作線程中對變量i所在的緩存行進行賦值操作，然后再寫入主存當中。而不是直接將數值10寫入主存當中。

那么Java語言 本身對 原子性、可見性以及有序性提供了哪些保證呢?

1、原子性

在Java中，對基本數據類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要么執行，要么不執行。

上面一句話雖然看起來簡單，但是理解起來并不是那么容易。看下面一個例子i：

請分析以下哪些操作是原子性操作：

x = 10;         //語句1
y = x;         //語句2
x++;           //語句3
x = x + 1;     //語句4

咋一看，有些朋友可能會說上面的4個語句中的操作都是原子性操作。其實只有語句1是原子性操作，其他三個語句都不是原子性操作。

語句1是直接將數值10賦值給x，也就是說線程執行這個語句的會直接將數值10寫入到工作內存中。

語句2實際上包含2個操作，它先要去讀取x的值，再將x的值寫入工作內存，雖然讀取x的值以及 將x的值寫入工作內存 這2個操作都是原子性操作，但是合起來就不是原子性操作了。

同樣的，x++和 x = x+1包括3個操作：讀取x的值，進行加1操作，寫入新的值。

所以上面4個語句只有語句1的操作具備原子性。

也就是說，只有簡單的讀取、賦值(而且必須是將數字賦值給某個變量，變量之間的相互賦值不是原子操作)才是原子操作。

不過這里有一點需要注意：在32位平臺下，對64位數據的讀取和賦值是需要通過兩個操作來完成的，不能保證其原子性。但是好像在最新的JDK中，JVM已經保證對64位數據的讀取和賦值也是原子性操作了。

從上面可以看出，Java內存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實現更大范圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實現。由于synchronized和Lock能夠保證任一時刻只有一個線程執行該代碼塊，那么自然就不存在原子性問題了，從而保證了原子性。

2、可見性

對于可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。

當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他線程需要讀取時，它會去內存中讀取新值。

而普通的共享變量不能保證可見性，因為普通共享變量被修改之后，什么時候被寫入主存是不確定的，當其他線程去讀取時，此時內存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。

另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖然后執行同步代碼，并且在釋放鎖之前會將對變量的修改刷新到主存當中。因此可以保證可見性。

3、有序性

在Java內存模型中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執行，卻會影響到多線程并發執行的正確性。

在Java里面，可以通過volatile關鍵字來保證一定的“有序性”(具體原理在下一節講述)。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執行同步代碼，相當于是讓線程順序執行同步代碼，自然就保證了有序性。

另外，Java內存模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性，這個通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個操作的執行次序無法從happens-before原則推導出來，那么它們就不能保證它們的有序性，虛擬機可以隨意地對它們進行重排序。

下面就來具體介紹下happens-before原則(先行發生原則)：

程序次序規則：一個線程內，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發生于書寫在后面的操作

鎖定規則：一個unLock操作先行發生于后面對同一個鎖額lock操作

volatile變量規則：對一個變量的寫操作先行發生于后面對這個變量的讀操作

傳遞規則：如果操作A先行發生于操作B，而操作B又先行發生于操作C，則可以得出操作A先行發生于操作C

線程啟動規則：Thread對象的start()方法先行發生于此線程的每個一個動作

線程中斷規則：對線程interrupt()方法的調用先行發生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生

線程終結規則：線程中所有的操作都先行發生于線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經終止執行

對象終結規則：一個對象的初始化完成先行發生于他的finalize()方法的開始

這8條原則摘自《深入理解Java虛擬機》。

這8條規則中，前4條規則是比較重要的，后4條規則都是顯而易見的。

下面我們來解釋一下前4條規則：

對于程序次序規則來說，我的理解就是一段程序代碼的執行在單個線程中看起來是有序的。注意，雖然這條規則中提到“書寫在前面的操作先行發生于書寫在后面的操作”，這個應該是程序看起來執行的順序是按照代碼順序執行的，因為虛擬機可能會對程序代碼進行指令重排序。雖然進行重排序，但是最終執行的結果是與程序順序執行的結果一致的，它只會對不存在數據依賴性的指令進行重排序。因此，在單個線程中，程序執行看起來是有序執行的，這一點要注意理解。事實上，這個規則是用來保證程序在單線程中執行結果的正確性，但無法保證程序在多線程中執行的正確性。

第二條規則也比較容易理解，也就是說無論在單線程中還是多線程中，同一個鎖如果出于被鎖定的狀態，那么必須先對鎖進行了釋放操作，后面才能繼續進行lock操作。

第三條規則是一條比較重要的規則，也是后文將要重點講述的內容。直觀地解釋就是，如果一個線程先去寫一個變量，然后一個線程去進行讀取，那么寫入操作肯定會先行發生于讀操作。

第四條規則實際上就是體現happens-before原則具備傳遞性。