Java多线程编程笔记4：Java内存模型

Java内存模型

Java内存模型试图屏蔽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内存访问效果。

处理器上的寄存器读写速度比内存快几个数量级，为了解决这种速度矛盾，在它们之间加入了高速缓存。同时产生了缓存一致性问题，如果多个缓存共享同一块主内存区域，多个缓存的数据可能不一致，需要协议来解决这个问题。

所有的变量存储在主内存中，每个线程有自己的工作内存，工作内存存储在高速缓存或寄存器中，保存了该线程使用的变量的主内存副本拷贝。线程只能直接操作工作内存中的变量，不同线程之间的变量值传递需要通过主内存来完成。

内存间交互

Java内存模型定义了8个操作来完成主内存和工作内存的交互操作。

read：把一个变量的值从主内存传输到工作内存中
load：在 read 之后执行，把 read 得到的值放入工作内存的变量副本中
use：把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎
assign：把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量
store：把工作内存的一个变量的值传送到主内存中
write：在 store 之后执行，把 store 得到的值放入主内存的变量中
lock：作用于主内存的变量
unlock

内存模型的三大特性

1. 原子性

原子性就是指一个操作中要么全部执行成功，否则失败。Java内存模型保证了上述的八个操作具有原子性。但是Java内存模型允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据（long,double）的读写操作划分为两次32位操作进行，因此load,store,read和write操作不具备原子性。但是JMM只保证了上述操作的原子性，像是i++这样的操作，其实是分为获取i，i自增以及赋值给i三步的，如果要实现这样的原子操作就需要使用原子类实现，或者也可以使用它synchronized互斥锁来保证操作的原子性。

2. 可见性

可见性指当一个线程修改了共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值来实现可见性的。

可见性的三种是实现方式：

volatile
synchronized，对一个变量执行unlock操作之前，必须把变量值同步回主内存。
final，被 final关键字修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且没有发生 this 逃逸（其它线程通过 this 引用访问到初始化了一半的对象），那么其它线程就能看见 final 字段的值。

使用 volatile 关键词修饰的变量每次读取都会得到最新的数据，不管哪个线程对这个变量的修改都会立即刷新到主内存。但是 volatile 关键字不能保证操作的原子性。

synchronized和加锁也能能保证可见性，实现原理就是在释放锁之前其余线程是访问不到这个共享变量的。但是和 volatile 相比开销较大。

3. 顺序性

假设有三个语句a,b,c。在同一个线程内，操作是有序的，以a->b->c的顺序执行。但是，JMM在保证最终结果和代码顺序执行结果一致的情况下，为了提高整体效率会进行指令重排。在单线程中重排不会问题，在多小县城中，可能会有数据不一致的问题。

Java中可以使用volatile关键字来保证顺序性，还可以用synchronized和lock来保证。

volatile 关键字通过添加内存屏障的方式来禁止指令重排，即重排序时不能把后面的指令放到内存屏障之前。

通过 synchronized 和 lock 来保证有序性，它保证每个时刻只有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码。

JVM通过happen-before来保证顺序性

除了使用volatile和synchronized保证顺序性，JVM还规定了先行发生原则，让一个操作无需控制就能先于另一个操作完成。

单一线程原则：在一个线程内，程序前面的操作先于后面的操作。
管程锁定规则：一个unlock操作先于后面对同一个锁的lock操作发生。
volatile变量规则：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，也就是说读取的值肯定是最新的。
线程启动规则：Thread对象的start()方法调用先行发生于此线程的每一个动作。
线程加入规则：Thread 对象的结束先行发生于 join() 方法返回。
线程中断规则：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 interrupted() 方法检测到是否有中断发生。
对象终结规则：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：如果操作 A 先行发生于操作 B，操作 B 先行发生于操作 C，那么操作 A 先行发生于操作 C。

参考资料

github.com/CyC2018/CS-…
crossoverjie.top/JCSprout/#/…