淺談Java併發編程系列（二）—— Java內存模型

物理計算機併發問題

在介紹Java內存模型以前，先簡單瞭解下物理計算機中的併發問題。因爲處理器的與存儲設置的運算速度有幾個數量級的差距，因此現代計算機加入一層讀寫速度儘量接近處理器的高速緩存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中，這樣處理器就無須等待緩慢的內存讀寫了。

基於高速緩存的存儲交互引入一個新的問題：緩存一致性。在多處理器系統中，每一個處理器都有本身的高速緩存，而它們又共享同一主存，如圖2-1所示

當多個處理器的運算任務都涉及同一塊內存區域時，將可能致使各自的緩存數據不一致，此時，同步回主內時以誰的緩存數據爲準。爲了解決一致性問題，須要各個處理器訪問緩存時都遵循一些協議，在讀寫時要根據協議來進行操做。

除了增長高速緩存外，爲了使處理器內部的運算單元可以充分被利用，處理器可能對輸入代碼進行亂序執行優化，處理器會在計算以後將亂序執行的結果重組，保證與順序執行的結果一致，但並不保證程序中各個語句計算的前後順序與輸入代碼中的一致，所以，若是存在一個計算任務依賴另外一個計算任務的中間結果，那麼其順序性並不能靠代碼的前後順序來保證。

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Java 內存模型

主內存與工做內存

Java內存模型規定了全部變量都存儲在主內存中（此處主內存與物理計算機的主內存名字同樣，能夠類比，但此處僅是虛擬機內存的一部分），這裏的變量包括實例字段，靜態字段和構成數組對象的元素，但不包括局部變量和方法參數，由於後者是線程私用的。每一個線程還有本身的工做內存（可與處理器的高速緩存類比），線程的工做內存中保存了被該線程使用到的變量的主內存副本拷貝，線程對變量的全部操做（讀寫等）都必須在工做內存中，不能直接讀寫主內存中的變量。不一樣的線程之間也不能直接訪問對方工做內存中的變量，線程間的變量值的傳遞必須經過主內存來完成。 線程、主內存、工做內存三者的交互關係如圖2-2

內存間交互操做

Java內存模型定義了8種操做來完成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回主內存的實現細節。虛擬機在實現時必須保證每一種操做都是原子的，不可再分的（double和long類變量容許例外）。

• lock(鎖定) : 做用於主內存的變量，把一個變量標識爲一個線程獨佔的狀態。

• unlock(解鎖)：做用於主內存的變量，把一個處於鎖定狀態的變量解鎖，解鎖後的變量才能夠被其餘線程鎖定。

• read(讀取) : 做用於主內存的變量，把一個變量的值從主內存傳輸到線程的工做內存，以便隨後的load動做使用。

• load(載入)：做用於主內存的變量，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，把工做內存中一個變量的值傳遞給執行引擎，每當虛擬機遇到一個須要使用的變量的值的字節碼指令時將會執行這個操做。

• assign(賦值)：做用於工做內存變量，把一個從執行引擎接收到的值賦給工做內存的變量，每當虛擬機遇到一個變量賦值的字節碼指令時執行這個操做。

• store(存儲)：做用於工做內存變量，把工做內存中一個變量的值傳遞到主內存中，以便隨後的write操做使用。

• 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值放入主內存的變量中。

Java內存模型規定了在執行上述8種基本操做時必須知足以下規則：

• read 和load ，store和write 必須成對操做

• 不容許線程丟棄assign操做，變量在工做內存中改變後必須把該變化同步回主內存

• 沒有assign操做，不容許變量從工做內存同步回主內存

• 新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的變量（load或assign），即對一個變量實時use和store以前必須先執行過assign和load操做

• 一個變量同一時刻只容許一條線程lock操做，但lock操做能夠屢次，執行相同數量的unlock，變量纔會解鎖

• lock操做會清空工做內存副本，執行引擎使用前，須要從新執行load或者assign操做初始化變量的值

• 沒有lock操做，就不容許unlock操做。不容許unlock另外一個線程變量。

• unlock操做前必須先store，write操做，同步回主內存中。