深刻理解JVM之Java內存模型

要了解Java內存模型，首先咱們要了解什麼是Java內存模型，它有什麼做用？
描述Java內存模型（簡稱：JMM）的規範提案JSR-133標題《Java Memory Model and Thread Specification》，經過這個標題，能夠看出JMM是和線程相關的規範。此規範地指定的 JMM Web Site 上對規範的說明以下：

The Java Memory Model defines how threads interact through memory.

經過以上描述，說明JMM規範主要是解決在多線程場景下線程間如何通訊。

硬件內存架構

要了解JMM，咱們先來從硬件角度，看看多核CPU場景下，多線程程序會存在什麼問題。

如上圖所示，在多核（多CPU）硬件架構中，系統中有兩個CPU，分佈運行了一個線程，對象obj保存在主內存（RAM）中。因爲RAM的速度遠低於CPU，爲了加快數據的訪問，當CPU（線程）須要使用obj對象時，會預先把obj對象加載到CPU的緩存（CPU Cache）中，處理完畢後，再把對obj對象的更新回寫到到RAM。
每一個CPU有本身獨立的緩存，一個CPU沒法訪問其餘CPU的緩存，也就是CPU間沒法直接交換數據，CPU間全部的數據交換都須要藉助主內存來完成。

假設線程執行的是 +1 操做。在上圖示例中，兩個線程併發執行。初始狀態，主內存中obj.num=1；線程1先讀取了obj對象，並執行+1操做，結果obj.num=2；在線程1的修改還未從CPU緩存回寫到主內存的時候，線程2從主內存中讀取了obj對象，此時線程2讀取到的obj.num=1；此後，線程1和線程2分別把obj回寫到主內存；按正常業務邏輯，obj.num被+1了兩次，結果應該是3，但上述狀況，最終主內存中obj.num=2。這是由於兩個線程對數據併發訪問衝突致使線程讀到的數據不一致。

Java內存模型

Java是平臺無關的語言，爲了實現跨平臺運行，Java虛擬機（JVM）上運行的是Java字節碼（Java bytecode）。Java內存模型(Java Memory Model，JMM)是Java虛擬機規範定義的，用來屏蔽掉Java程序在各類不一樣的硬件和操做系統對內存的訪問的差別，實現Java程序在各類不一樣的平臺上都能達到內存訪問的一致性。和硬件內存架構相似，JMM把內存分爲主內存和工做內存，主內存由全部線程共享，工做內存爲線程私有。
JMM規範主要定義程序變量操做的規則，規範中定義的主內存、工做內存的概念和JVM運行時內存分區中定義的堆、棧區域不是同一緯度的概念，不能互相對應，不過爲了便於理解，可把主內存類比爲堆，工做內存類比爲棧。

雖然工做內存和棧能夠類比，但二者是不一樣的概念。
JMM管理的程序變量，主要是指在對象實例字段、靜態字段、構成數組字段的元素等，不包括方法參數、方法局部變量等保存在棧裏的變量，由於棧自己就是線程私有的，並不存在線程一致性問題。
JMM規範規定全部的變量都要在主內存中產生，而線程不容許直接操做主內存中的變量，線程須要把變量副本拷貝到工做線程中進行操做，操做完後再回寫到主內存。

主內存
JMM規定全部的變量都必須在主內存中產生。

工做內存
JVM中每一個線程都有本身的工做內存，是線程私有的，能夠類比CPU的高速緩存。線程的工做內存保存了線程須要的變量在主內存中的副本。

數據交互接口
JMM中定義了8個用於主內存和工做內存見數據互操做的接口，用於在二者間傳輸數據，這些操做都是原子性的。

1. lock(鎖定)
   做用於主內存變量，屬於互斥鎖，一個變量同時只能一個線程鎖定
2. unlock(解鎖)
   做用於主內存變量，lock的反操做，釋放變量的鎖
3. read(讀取)
   做用於主內存變量，表示把一個主內存變量的值傳輸到線程的工做內存，以便隨後的load操做使用
4. load(載入)
   做用於線程工做內存變量，表示把read操做從主內存中讀取的變量的值放到工做內存的變量副本中
5. use(使用)
   做用於線程工做內存變量，表示把工做內存中的一個變量的值傳遞給字節碼指令
6. assign(賦值)
   做用於線程工做內存變量，表示把字節碼指令執行返回的結果賦值給工做內存中的變量，字節碼賦值操做
7. store(存儲)
   做用於線程工做內存變量，把工做內存中的一個變量的值傳遞給主內存，以便隨後的write操做使用
8. write(寫入)
   做用於主內存變量，把store操做從工做內存中獲得的變量的值放入主內存的變量中

數據交互原則

1. 變量只能在主內存中產生。
2. 線程對主內存變量的操做必須在線程的工做內存中進行，不能直接操做主內存中的變量。
3. 不一樣的線程之間也不能相互訪問對方的工做內存。線程之間須要傳遞變量的值，必須經過主內存來做爲中介進行傳遞。
4. read和load操做、store和write必須成對使用，即：不容許從主內存中讀取了變量，工做內存不接收，或者工做內存回寫了變量，主內存不接收。
5. assign操做後的變量必須回寫到主內存。
6. 不容許回寫沒有修改（即未assign）的變量到主內存。
7. 一個變量同時只能被一個線程對其進行lock操做，可是同一個線程對一個變量加鎖後，能夠繼續加鎖，同時在釋放鎖的時候釋放鎖次數必須和加鎖次數相同。
8. 對變量執行lock操做，就會清空工做空間該變量的值，使用時須要從新讀取；對一個變量執行unlock以前，必須先把變量同步回主內存中。

內存併發一致性原則

上述的內存併發一致性問題，在JMM中定義了三個原則來避免，分別是原子性、可見性和有序性。
原子性
原子性表示不可被中斷的一個或一組操做。操做一旦開始，就一直運行到結束，中間不會有任何線程切換(context switch)。

可見性
可見性是指多個線程訪問同一個變量是，一個線程修改了變量的值後，其餘線程能夠當即讀取到這個變量的最新值。

有序性
計算機在執行程序時，爲了提升性能，編譯器和處理器的經常會對指令作重排，再對亂序執行以後的結果進行重組，保證結果的正確性。也就是說在真正的執行過程當中，指令執行的順序並不必定按照代碼的書寫順序來執行，但能夠保證結果與順序執行的結果一致，這種現象成爲指令重排。
從單個線程的角度來看，指令重排後指令執行順序雖然和代碼書寫順序不一致，但能夠保證執行的結果是正確的；但在多線程同時執行狀況下，指令重排可能致使工做內存和主內存同步發生延遲的現象。

volatile變量

volatile是Java中最輕量級的同步機制，JMM對volatile變量定義了特殊的操做規則，使得變量具備同步的特性，相關規則以下。

1. 線程對volatile變量的load和use操做必須連續出現，即變量須要使用時，必須先從主內存中讀取最新值；assign和store操做也必須連續出現，即線程對變量賦值後，必須立刻寫入主內存。經過這兩點，能夠保證變量對全部線程的可見性。
2. 對volatile修飾的變量，JVM禁止指令重排優化，指令按代碼順序執行，保證代碼運行的有序性。

須要注意的是，雖然volatile變量能夠保證對全部線程的可見性，可是並不能保證變量是線程安全的，多線程併發操做下，仍是會出現文章前面出現的obj.num併發衝突的問題，這是因爲變量自己 +1 操做並非原子性的，它能夠分爲兩個步驟，即變量加載到工做內存（read、load、use）、變量賦值後回寫主內存（assign、store、write），而這兩個步驟並非原子性的。A、B兩個線程的執行順序多是這樣的：

1. 線程A讀取變量obj.num=1
2. 線程B讀取變量obj.num=1
3. 線程A執行+1，obj.num=1+1=2，並回寫到主內存
4. 線程B執行+1，obj.num=1+1=2，並回寫到主內存，此時覆蓋了線程A寫入主內存的值

在這種狀況下，要保證線程間數據同步，就須要使用lock鎖住變量，這在Java語法中，表現爲 synchronized 關鍵字。

synchronized

JMM的lock和unlock操做，對應到字節碼指令是monitorenter和monitorexit兩條指令，而對應的Java代碼中，就是synchronized代碼塊或者synchronized方法。
因爲lock同時只能被一個線程獲取，因此能夠保證操做的原子性；另外lock會觸變量重讀，unlock會觸發變量回寫，因此能夠保證操做對其餘線程的可見性；另外lock保證同時只有一個線程執行對應代碼快，能夠保證操做的有效性。

參考資料

1. JSR-133: JavaTM Memory Model and Thread Specification
2. The Java Memory Model