Java并发编程学习笔记之十七：深入Java内存模型—内存操作规则总结

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主内存与工作内存

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。此处的变量主要是指共享变量，存在竞争问题的变量。Java内存模型规定所有的变量都存储在主内存中，而每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）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（根据Java虚拟机规范的规定，volatile变量依然有共享内存的拷贝，但是由于它特殊的操作顺序性规定——从工作内存中读写数据前，必须先将主内存中的数据同步到工作内存中，所有看起来如同直接在主内存中读写访问一般，因此这里的描述对于volatile也不例外）。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值得传递均需要通过主内存来完成。

内存间交互操作

Java内存模型中定义了以下8中操作来完成主内存与工作内存之间交互的实现细节：

1、luck（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标示为一条线程独占的状态。

2、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。

3、read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到工作内存中，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，它把工作内存中的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得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，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。

8、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值放入主内存的变量中。

Java内存模型还规定了执行上述8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，以上两个操作必须按顺序执行，但没有保证必须连续执行，也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的。

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。

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，换句话说就是对一个变量实施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操作可以被同一个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、如果一个变量实现没有被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回主内存（执行store和write操作）。

volatile型变量的特殊规则

Java内存模型对volatile专门定义了一些特殊的访问规则，当一个变量被定义成volatile之后，他将具备两种特性：

1、保证此变量对所有线程的可见性。这里不具体解释了。需要注意，volatile变量的写操作除了对它本身的读操作可见外，volatile写操作之前的所有共享变量均对volatile读操作之后的操作可见，另外注意其适用场景，详见http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17290021和http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17101369这两篇博文。

2、禁止指令重排序优化。普通的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得正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序中的执行顺序一致，在单线程中，我们是无法感知这一点的。

补充：Java语言规范规定了JVM线程内部维持顺序化语义，也就是说只要程序的最终结果等同于它在严格的顺序化环境下的结果，那么指令的执行顺序就可能与代码的顺序不一致，这个过程通过叫做指令的重排序。指令重排序存在的意义在于：JVM能够根据处理器的特性（CPU的多级缓存系统、多核处理器等）适当的重新排序机器指令，使机器指令更符合CPU的执行特点，最大限度的发挥机器的性能。在没有同步的情况下，编译器、处理器以及运行时等都可能对操作的执行顺序进行一些意想不到的调整

final域

final类型的域是不能修改的，除了这一点外，在Java内存模型中，final域还有着特殊的语义，final域能确保初始化过程的安全性，从而可以不受限制地访问不可变对象，并在共享这些对象时无须同步。具体而言，就是被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去（this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那么在其他线程中就能看到final字段的值，而且其外、外部可见状态永远也不会改变。它所带来的安全性是最简单最纯粹的。

long和double型变量的特殊规则

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store和write这8个操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型long和double，在模型中特别定义了一条宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行。这样，如果有多个线程共享一个未被声明为volatile的long或double类型的变量，并且同时对它们进行读取和修改操作，那么某些线程可能会读到一个既非原值，也非其他线程修改值得代表了“半个变量”的数值。不过这种读取到“半个变量”的情况非常罕见，因为Java内存模型虽然允许虚拟机不把long和double变量的读写实现成原子操作，但允许迅疾选择把这些操作实现为具有原子性的操作，而且还“强烈建议”虚拟机这样实现。目前各种平台下的商用虚拟机几乎都选择吧64位数据的读写操作作为原子操作来对待，因此在编码时，不需要将long和double变量专门声明为volatile。

参考资料：http://blog.csdn.net/vking_wang/article/details/8574376#t2

《深入理解Java虚拟机——JVM高级特性与最佳实践》第12章