Java并发编程-Java内存模型

JVM内存结构与Java内存模型经常会混淆在一起，本文将对Java内存模型进行详细说明，并解释Java内存模型在线程通信方面起到的作用。

我们常说的JVM内存模式指的是JVM的内存分区；而Java内存模式是一种虚拟机规范。

JVM内存结构

大家对上图应该非常熟悉了，这就是Java虚拟机的内存结构，Java程序启动后，会初始化这些内存的数据。 

Java内存模型（JMM）

Java虚拟机规范中定义了Java内存模型（Java Memory Model，JMM），用于屏蔽掉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并发效果，JMM规范了Java虚拟机与计算机内存是如何协同工作的：规定了一个线程如何和何时可以看到由其他线程修改过后的共享变量的值，以及在必须时如何同步的访问共享变量。

原始的Java内存模型存在一些不足，因此Java内存模型在Java1.5时被重新修订。这个版本的Java内存模型在Java8中仍然在使用。

Java内存模型（不仅仅是JVM内存分区）：调用栈和本地变量存放在线程栈上，对象存放在堆上。

• 一个本地变量可能是原始类型，在这种情况下，它总是“呆在”线程栈上。
• 一个本地变量也可能是指向一个对象的一个引用。在这种情况下，引用（这个本地变量）存放在线程栈上，但是对象本身存放在堆上。
• 一个对象可能包含方法，这些方法可能包含本地变量。这些本地变量仍然存放在线程栈上，即使这些方法所属的对象存放在堆上。
• 一个对象的成员变量可能随着这个对象自身存放在堆上。不管这个成员变量是原始类型还是引用类型。
• 静态成员变量跟随着类定义一起也存放在堆上。
• 存放在堆上的对象可以被所有持有对这个对象引用的线程访问。当一个线程可以访问一个对象时，它也可以访问这个对象的成员变量。如果两个线程同时调用同一个对象上的同一个方法，它们将会都访问这个对象的成员变量，但是每一个线程都拥有这个成员变量的私有拷贝。

Java 内存模型中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（类比缓存理解），线程的工作内存中保存了该线程使用到主内存中的变量拷贝，线程对变量的所有操作（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。不同线程之间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（通信）均需要在主内存来完成，线程、主内存和工作内存的交互关系如下图所示

这个图和 CPU 与缓存的图非常类似，搞不好 JMM 的构建就是仿照硬件系统来的。同样的道理我们要思考一下在多线程的环境中，JMM 又是如何保证主内存和工作内存中的变量一致性？回忆一下 CPU 是如何保证缓存一致性的，使用 MESI 协议。那在这里呢，Java 内存模型就定义了 8 种操作和 8 个规则。

回头想想，JMM 是一套规则呀，它只会给你定义规范，模型，具体的实现自己玩去！理解这一点很重要。我们来看看它给出了哪些操作和必须满足的规则吧。

8种操作： 

1. lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
2. unlock（解锁）：作用于主内存变量，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）：作用于主内存变量，把一个变量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，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，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
6. assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，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。
7. store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的 write 的操作。
8. write（写入）：作用于主内存的变量，它把 store 操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺序地执行 read 和 load 操作，如果把变量从工作内存同步回主内存中，就要按顺序地执行 store 和 write 操作。Java 内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也就是 read 和 load 之间，store 和 write 之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量 a、b 进行访问时，可能的顺序是 read a，read b，load b， load a。Java 内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，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的最近 assign 的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
3. 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何 assign 操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
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一个未被初始化（load 或 assign）的变量。即对一个变量实施 use 和 store 操作之前，必须先执行过了 assign 和 load 操作。
5. 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作，lock 和 unlock 必须成对出现
6. 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
7. 如果一个变量事先没有被 lock 操作锁定，则不允许对它执行 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到主内存中（执行 store 和 write 操作）

聊到这里相信大家对Java内存模型有了一定的认识了。

Java线程之间的通信有Java内存模型（JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另外一个线程可见，从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系，如果想进一步了解JMM的抽象模型，可以关注微信公众或阅读《Java并发编程-Java内存模型的抽象结构》这篇文章。

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