Java内存模型与线程

1. 硬件效率与一致性　　

　　计算并发运行的运行和充分利用计算机处理器的效能两者看来是互为因果的，而在大多数的时候，计算机的处理速度不止是在处理器进行的，大多数是在内存和处理器进行的，但是这种I/O操作是很难消除的。为了提升计算速度，在内存和处理器之间加上一个高速缓存来作为内存和处理器之间的缓冲。基于高速缓存的方法很好的解决了处理器和缓存的矛盾，但是也引入了一个新的问题：缓存一致性。每个处理器都有自己的高速缓存，而他们又共享一个主内存。当处理多个处理器的运算任务都涉及同一个主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致，如果真发生这种情况，将同步到主内存的数据到底以谁的缓存数据为准。为了解决一致性问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议。在本章中将会多次提到“内存模型”一词，可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。

　　除了增加高速缓存之外，为了使得处理器内部的运算单元尽可能被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与代码中的顺序一致。因此，如果某个人物依赖另外一个人物的中间结果，但执行顺序出现了问题，所以结果会出现了问题。Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序优化。

2. Java内存模型

　　Jvava虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存差异，来实现Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

　　2.1 主内存和工作内存

　　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。此处的变量与Java中的变量有所区别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但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，自然就不会存在竞争问题。

　　Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。每个线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程中使用到的变量的主内存拷贝副本，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存中的变量。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均需要通过主内存来完成。

 　　2.2 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到主内存之类的同步细节，Java内存模型中定义了8种操作来完成。

　　Lock（锁定）：作用于主内存的变量，他把变量标识为一个线程独占的状态。

　　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中读取到线程工作内存中，以便随后的load动作使用。

　　load（载入）：作用于工作内存中的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存中的变量副本中。

　　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，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令将会执行这个操作。

　　assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把执行引擎接收到的值付给工作内存的变量，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，它把工作内存中的一个变量的值传递到主内存中，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复制到工作内存，就要顺序地执行read和load操作，如果把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行store和write操作。Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作必须满足如下规则：

　　1. 不允许read和load。store和write操作之一单独出现。

　　2. 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。

　　3. 不允许一个线程无原因的把数据从线程的工作内存同步回主内存。

　　4. 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了一个未被初始化的变量，换句话说，就是一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。

　　5. 一个变量在同一个时刻只允许一个线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条操作重复执行多次，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。

　　6. 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load和assign操作初始化变量的值。

　　7. 如果一个变量实现没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去lock一个被其他线程锁定住的变量。

　　8. 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。

　　这8种内存访问操作以及上述规则限定，再加上稍后介绍的对volatile的一些特殊规定，就已经完全确定了Java程序中哪些内存访问操作在并发下是安全的。

　　2.3 对于volatile型变量的特殊规则

　　关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但是它不容易完全被正确、完整地理解，以致于在使用的时候一致使用synchronized来进行同步。

　　首先介绍一下volatile所修饰的变量的特性：第一是保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一个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到的。而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。

Java内存模型与线程