什么是Java内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model，JMM）来屏蔽掉各种硬件和操作系统的访问差异，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。在此之前，主流程序语言（如C/C++等）直接使用物理硬件和操作系统的内存模型，因此，会由于不同平台上内存模型的差异，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发访问却经常出错，因此在某些场景下就不许针对不同的平台来编写程序。

Java内存模型即要定义得足够严谨，才能让Java的并发内存访问操作不会产生歧义；Java内存模型也必须定义地足够宽松，才能使得虚拟机的实现有足够的自由空间去利用硬件的各种特性来获取更好的执行速度。经过长时间的验证和修补，JDK1.5（实现了JSR-133）发布之后，Java内存模型已经成熟和完善起来了，一起来看一下。

主内存和工作内存

Java内存模型的主要目的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。注意一下，此处的变量并不包括局部变量与方法参数，因为它们是线程私有的，不会被共享，自然也不会存在竞争，此处的变量应该是实例字段、静态字段和构成数组对象的元素。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中，每条线程还有自己的工作内存（Working Memory），线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量和主内存副本拷贝（注意这里绝不会是整个对象的拷贝，试想一个10M的对象，在每个用到这个对象的工作内存中有一个10M的拷贝，内存还受得了？也就是一些在线程中用到的对象中的字段罢了），线程对变量所有的操作（读取、赋值）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，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图：

内存间相互交互

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回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成，虚拟机实现时必须保证下面体积的每一种操作都是原子的、不可再分的：

1、lock（锁定）：作用于主内存中的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态

2、unlock（解锁）：作用于主内存中的变量，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

3、read（读取）：作用于主内存中的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用

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

5、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，没当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作

6、assign（赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存中的变量，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

7、store（存储）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用

8、write（写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量值放入主内存的变量中

Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足以下规则：

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的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了滞后必须把该变化同步回主内存

3、不允许一个线程无原因地把数据从线程的工作内存同步回主内存中

4、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被初始化（load或assign）的变量

5、一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁

6、如果对同一个变量执行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，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值

7、如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它进行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量

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

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。

一个变量被定义为volatile后，它将具备两种特性：

1、保证此变量对所有线程的”可见性”，所谓”可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其它线程来说都是可以立即得知的，而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在在线程间传递均需要通过主内存来完成，关于volatile关键字的操作请参见volatile关键字使用举例，再强调一遍，volatile只保证了可见性，并不保证基于volatile变量的运算在并罚下是安全的

2、使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。

总结一下Java内存模型对volatile变量定义的特殊规则：

1、在工作内存中，每次使用某个变量的时候都必须线从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对该变量所做的修改之后的值

2、在工作内存中，每次修改完某个变量后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程能够看见自己对该变量所做的修改

3、volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，保证代码的执行顺序与程序顺序相同

原子性、可见性、有序性

Java内存模型围绕着并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的，来逐个看一下：

1、原子性（Atomicity）

由Java内存模型来直接保证原子性变量操作包括read、load、assign、use、store、write，大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的。如果应用场景需要一个更大的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock，尽管虚拟机没有把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块—-synchronized关键字

2、可见性（Visibility）