Java多線程編程——Java內存模型

一、何為“內存模型”

　　內存模型描述了程序中各個變量（實例域、靜態域和數組元素）之間的關系，以及在實際計算機系統中將變量存儲到內存和從內存中取出變量這樣的底層細節，對象最終是存儲在內存裡面的，但是編譯器、運行庫、處理器或者系統緩存可以有特權在變量指定內存位置存儲或者取出變量的值。

二、JMM（Java Memory Model）即Java內存模型的作用

1. JMM的最初目的是為了能夠支持多線程程序。JMM使得每一個線程就像運行在不同的機器、不同的CPU或者本身就不同的線程上一樣；
2. JMM定義了Java語言針對內存的一系列相關規則。對於CPU本身而言，一個CPU不能直接訪問其它CPU的寄存器，因此JMM必須通過某種定義規則來使得線程和線程在工作內存中進行相互調用，從而實現一個CPU對其它CPU、或者說一個線程對其它線程的內存中資源的訪問；
3. 雖然JMM設計之初是為了能夠更好地支持多線程，但是JMM的應用和實現並不局限於多處理器，對於單CPU的系統而言，在JVM編譯器編譯Java程序的時候，以及運行時執行該程序的時候，這種規則也是有效的；
4. JMM定義了線程與主存之間的抽象關系：每個線程可以被抽象為一塊工作內存，程序中所有的共享變量都在主存中定義並存儲，工作內存不能直接使用主存中的共享變量，如果要使用，工作內存必須對主存中的共享變量進行讀取和拷貝，然後對拷貝過來的變量副本進行操作，最後將操作後的變量結果回寫到主存中。大多數JMM規則在實現的時候，必須保證主存和工作內存之間進行通信，而且不能違反內存模型本身的結構。這是在設計語言的時候必須考慮到的針對內存的一種設計方法。

　　作為Java程序員，我們需要知道的是，Java對內存的管理不需要人為操作，因為Java本身就擁有了一套自動的內存管理策略，這是Java相對與其它一些語言在進行內存管理上具備的一種優勢。

三、線程間通信機制

　　在命令式編程中，線程之間的通信機制有兩種：共享內存和消息傳遞。

1. 共享內存。線程之間共享程序的公共狀態，線程之間通過寫-讀內存中的公共狀態來隱式進行通信；
2. 消息傳遞。線程之間沒有公共狀態，線程之間必須通過明確的發送消息來顯式進行通信。

　　Java在實現線程間通信時采用的是共享內存的方式，因而Java線程之間的通信總是隱式的，整個通信過程對程序員完全透明。如果我們在編寫多線程程序的時候不理解這種隱式的通信機制，很可能會遇到各種奇怪的並發問題。

四、主存與工作內存

　　上面我們將每個單獨的線程抽象為一塊工作內存，主存與線程之間的關系也就被抽象成了主存與工作內存的關系，這種關系用圖可表示為：

　　JMM定義了8中主存與工作內存之間的操作：

1. lock（鎖定）：作用於主內存的變量，把一個變量標識為一條線程獨占狀態；
2. unlock（解鎖）：作用於主內存變量，把一個處於鎖定狀態的變量釋放出來，釋放後的變量才可以被其他線程鎖定；
3. read（讀取）：作用於主內存變量，把一個變量值從主內存傳輸到線程的工作內存中，以便隨後的load動作使用；
4. load（載入）：作用於工作內存的變量，它把read操作從主內存中得到的變量值放入工作內存的變量副本中；
5. use（使用）：作用於工作內存的變量，把工作內存中的一個變量值傳遞給執行引擎，每當虛擬機遇到一個需要使用變量的值的字節碼指令時將會執行這個操作；
6. assign（賦值）：作用於工作內存的變量，它把一個從執行引擎接收到的值賦值給工作內存的變量，每當虛擬機遇到一個給變量賦值的字節碼指令時執行這個操作；
7. store（存儲）：作用於工作內存的變量，把工作內存中的一個變量的值傳送到主內存中，以便隨後的write的操作；
8. write（寫入）：作用於主內存的變量，它把store操作從工作內存中一個變量的值傳送到主內存的變量中。

　　Java內存模型只要求上述操作必須按順序執行，而沒有保證必須是連續執行。也就是read和load之間，store和write之間是可以插入其他指令的，如對主內存中的變量a、b進行訪問時，可能的順序是read a，read b，load b， load a。

　　JMM還規定了在執行上述八種基本操作時，必須滿足如下規則：

1. 不允許read和load、store和write操作之一單獨出現；
2. 不允許一個線程丟棄它的最近assign的操作，即變量在工作內存中改變了之後必須同步到主內存中；
3. 不允許一個線程無原因地（沒有發生過任何assign操作）把數據從工作內存同步回主內存中；
4. 一個新的變量只能在主內存中誕生，不允許在工作內存中直接使用一個未被初始化（load或assign）的變量。即就是對一個變量實施use和store操作之前，必須先執行過了assign和load操作；
5. 一個變量在同一時刻只允許一條線程對其進行lock操作，lock和unlock必須成對出現；
6. 如果對一個變量執行lock操作，將會清空工作內存中此變量的值，在執行引擎使用這個變量前需要重新執行load或assign操作初始化變量的值；
7. 如果一個變量事先沒有被lock操作鎖定，則不允許對它執行unlock操作；也不允許去unlock一個被其他線程鎖定的變量；
8. 對一個變量執行unlock操作之前，必須先把此變量同步到主內存中（執行store和write操作）。

五、關於重排序

　　在Java程序的執行過程中，編譯器和處理器會通過對指令進行重排序來優化程序的執行效率。重排序分為三種：

　　1.編譯器優化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執行順序；

　　2.指令級並行的重排序。現代處理器采用了指令級並行技術（Instruction-Level Parallelism， ILP）來將多條指令重疊執行。如果不存在數據依賴性，處理器可以改變語句對應機器指令的執行順序；

　　3.內存系統的重排序。由於處理器使用緩存和讀/寫緩沖區，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執行。

　　從Java源代碼到最終實際執行的指令序列，會分別經歷上面三種重排序。