Java 内存模型

硬件内存模型

Java内存模型

介绍

JMM（Java Memory Model，Java 内存模型）是 Java 语言规范中定义的一套规则，用于描述多线程程序中变量的可见性、有序性、原子性行为，规定了线程以何时可以看到其他线程写入共享变量的值。

并发问题

由于不同CPU架构的缓存体系不一样。缓存一致性协议不一样、重排序的策略不一样、所提供的内存屏障指令也有差异，为了简化开发，Java封了一套规范，也就是Java内存模型。

Java内存模型（Java Memory Model）是一种符合内存模型规范，屏蔽了硬件和操作系统的访问内存的各种差异，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。

在多线程环境下，如果没有任何约束，不同线程对共享变量的操作可能出现不可预测的结果。如：

• 线程 A 修改了变量 x
• 线程 B 可能看不到这个修改，或者看到过期的值，x 可能还在 CPU 缓存中

主内存 & 工作内存

• 主内存：所有线程共享，存储所有的实例字段 、静态字段等，不包含局部变量和方法参数。
• 工作内存：每个线程私有，保存改线程使用的变量副本（从主内存拷贝来的）。

主内存和工作内存是 JMM 的抽象概念，不是真实的物理内存。

内存交互操作

JMM 定义了线程与主内存之间交互的 8 种原子操作：

1. lock 锁定：作用于主内存变量，把一个变量标识为线程独占状态。
2. unlock 解锁：作用于主内存变量，把一个变量从锁定状态释放出来，别的线程才能使用。
3. read 读取：作用于主内存变量，将变量值从主内存读取到工作内存中。
4. load 载入：作用于工作内存变量，将读取到的值放入工作内存的变量副本中。
5. use 使用：作用于工作内存变量，将工作内存中的变量值传递给执行引擎。
6. assign 赋值：作用于工作内存变量，将执行引擎接收到的值赋值给工作内存中的变量。
7. store 存储：作用于工作内存变量，把工作内存中的变量值传递到主内存中，方便write操作。
8. write 写入：作用于主内存变量，把store进来的值放入主内存中的变量。

内存间交互操作的规则

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，以上的操作必须按顺序执行，但不保证连续执行，也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的。
• 不允许一个线程丢弃它的最近都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。（变量的值在工作内存中发生变化，必须回到主内存同步）
• 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
• 一个新的变量只能从主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未初始化的变量，也就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过assign和load操作
• 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其执行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复只想，多次执行lock后，只有执行相同次数多unlock操作，变量才会被解锁
• 如果对一个变量执行lock操作，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操作初始化变量的值
• 如果一个变量没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作，也不能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，必须先把此变量同不会主内存，执行store和write操作

三大特性

原子性（Atomicity）

• 指一个操作不可中断，要么全部执行，要么都不执行。
• 保障原子性 ：synchronized、Atomic 类、lock

可见性（Visibility）

• 当一个线程修改了共享变量，其他线程能立即看到修改后的值。
• 保障可见性：volatile、synchronized、lock、final

有序性（Ordering）

• 程序代码的执行顺序可能被编译器重排序。
• 保障有序性：volatile、synchronized、lock