Java內存模型

1. 概述

　　多任務和高併發是衡量一臺計算機處理器的能力重要指標之一。通常衡量一個服務器性能的高低好壞，使用每秒事務處理數（Transactions Per Second，TPS）這個指標比較能說明問題，它表明着一秒內服務器平均能響應的請求數，而TPS值與程序的併發能力有着很是密切的關係。在討論Java內存模型和線程以前，先簡單介紹一下硬件的效率與一致性。

2.硬件的效率與一致性

　　因爲計算機的存儲設備與處理器的運算能力之間有幾個數量級的差距，因此現代計算機系統都不得不加入一層讀寫速度儘量接近處理器運算速度的高速緩存（cache）來做爲內存與處理器之間的緩衝：將運算須要使用到的數據複製到緩存中，讓運算能快速進行，當運算結束後再從緩存同步回內存之中沒這樣處理器就無需等待緩慢的內存讀寫了。
　　基於高速緩存的存儲交互很好地解決了處理器與內存的速度矛盾，可是引入了一個新的問題：緩存一致性（Cache Coherence）。在多處理器系統中，每一個處理器都有本身的高速緩存，而他們又共享同一主存，以下圖所示：多個處理器運算任務都涉及同一塊主存，須要一種協議能夠保障數據的一致性，這類協議有MSI、MESI、MOSI及Dragon Protocol等。Java虛擬機內存模型中定義的內存訪問操做與硬件的緩存訪問操做是具備可比性的，後續將介紹Java內存模型。

　　除此以外，爲了使得處理器內部的運算單元能竟可能被充分利用，處理器可能會對輸入代碼進行亂起執行（Out-Of-Order Execution）優化，處理器會在計算以後將對亂序執行的代碼進行結果重組，保證結果準確性。與處理器的亂序執行優化相似，Java虛擬機的即時編譯器中也有相似的指令重排序（Instruction Recorder）優化。

3.Java內存模型

　　定義Java內存模型並非一件容易的事情，這個模型必須定義得足夠嚴謹，才能讓Java的併發操做不會產生歧義；可是，也必須得足夠寬鬆，使得虛擬機的實現能有足夠的自由空間去利用硬件的各類特性（寄存器、高速緩存等）來獲取更好的執行速度。通過長時間的驗證和修補，在JDK1.5發佈後，Java內存模型就已經成熟和完善起來了。

3.1 主內存與工做內存

　　Java內存模型的主要目標是定義程序中各個變量的訪問規則，即在虛擬機中將變量存儲到內存和從內存中取出變量這樣底層細節。此處的變量與Java編程時所說的變量不同，指包括了實例字段、靜態字段和構成數組對象的元素，可是不包括局部變量與方法參數，後者是線程私有的，不會被共享。

　　Java內存模型中規定了全部的變量都存儲在主內存中，每條線程還有本身的工做內存（能夠與前面將的處理器的高速緩存類比），線程的工做內存中保存了該線程使用到的變量到主內存副本拷貝，線程對變量的全部操做（讀取、賦值）都必須在工做內存中進行，而不能直接讀寫主內存中的變量。不一樣線程之間沒法直接訪問對方工做內存中的變量，線程間變量值的傳遞均須要在主內存來完成，線程、主內存和工做內存的交互關係以下圖所示，和上圖很相似。

這裏的主內存、工做內存與Java內存區域的Java堆、棧、方法區不是同一層次內存劃分。

3.2 內存間交互操做

　　關於主內存與工做內存之間的具體交互協議，即一個變量如何從主內存拷貝到工做內存、如何從工做內存同步到主內存之間的實現細節，Java內存模型定義瞭如下八種操做來完成：

• lock（鎖定）：做用於主內存的變量，把一個變量標識爲一條線程獨佔狀態。
• unlock（解鎖）：做用於主內存變量，把一個處於鎖定狀態的變量釋放出來，釋放後的變量才能夠被其餘線程鎖定。
• read（讀取）：做用於主內存變量，把一個變量值從主內存傳輸到線程的工做內存中，以便隨後的load動做使用
• load（載入）：做用於工做內存的變量，它把read操做從主內存中獲得的變量值放入工做內存的變量副本中。
• use（使用）：做用於工做內存的變量，把工做內存中的一個變量值傳遞給執行引擎，每當虛擬機遇到一個須要使用變量的值的字節碼指令時將會執行這個操做。
• assign（賦值）：做用於工做內存的變量，它把一個從執行引擎接收到的值賦值給工做內存的變量，每當虛擬機遇到一個給變量賦值的字節碼指令時執行這個操做。
• store（存儲）：做用於工做內存的變量，把工做內存中的一個變量的值傳送到主內存中，以便隨後的write的操做。
• write（寫入）：做用於主內存的變量，它把store操做從工做內存中一個變量的值傳送到主內存的變量中。

　　若是要把一個變量從主內存中複製到工做內存，就須要按順尋地執行read和load操做，若是把變量從工做內存中同步回主內存中，就要按順序地執行store和write操做。Java內存模型只要求上述操做必須按順序執行，而沒有保證必須是連續執行。也就是read和load之間，store和write之間是能夠插入其餘指令的，如對主內存中的變量a、b進行訪問時，可能的順序是read a，read b，load b， load a。Java內存模型還規定了在執行上述八種基本操做時，必須知足以下規則：

• 不容許read和load、store和write操做之一單獨出現
• 不容許一個線程丟棄它的最近assign的操做，即變量在工做內存中改變了以後必須同步到主內存中。
• 不容許一個線程無緣由地（沒有發生過任何assign操做）把數據從工做內存同步回主內存中。
• 一個新的變量只能在主內存中誕生，不容許在工做內存中直接使用一個未被初始化（load或assign）的變量。即就是對一個變量實施use和store操做以前，必須先執行過了assign和load操做。
• 一個變量在同一時刻只容許一條線程對其進行lock操做，lock和unlock必須成對出現
• 若是對一個變量執行lock操做，將會清空工做內存中此變量的值，在執行引擎使用這個變量前須要從新執行load或assign操做初始化變量的值
• 若是一個變量事先沒有被lock操做鎖定，則不容許對它執行unlock操做；也不容許去unlock一個被其餘線程鎖定的變量。
• 對一個變量執行unlock操做以前，必須先把此變量同步到主內存中（執行store和write操做）。

 3.3 重排序

　　在執行程序時爲了提升性能，編譯器和處理器常常會對指令進行重排序。重排序分紅三種類型：

1. 編譯器優化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語義放入前提下，能夠從新安排語句的執行順序。
2. 指令級並行的重排序。現代處理器採用了指令級並行技術來將多條指令重疊執行。若是不存在數據依賴性，處理器能夠改變語句對應機器指令的執行順序。
3. 內存系統的重排序。因爲處理器使用緩存和讀寫緩衝區，這使得加載和存儲操做看上去多是在亂序執行。

從Java源代碼到最終實際執行的指令序列，會通過下面三種重排序：

爲了保證內存的可見性，Java編譯器在生成指令序列的適當位置會插入內存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。Java內存模型把內存屏障分爲LoadLoad、LoadStore、StoreLoad和StoreStore四種：

3.4 同步機制

介紹volatile、synchronized和final

3.5 原子性、可見性與有序性

介紹三個特性