并发编程学习（一）Java 内存模型

Java 内存模型

什么是 Java 内存模型（Java Memory Model）

Java 内存模型是一种规范，规范了 Java 虚拟机和计算机内存是如何进行协同工作的。

JMM 规定了一个线程如何和何时看到其它线程修改过后的的共享变量的值，以及在必须时如何同步的访问共享变量。

主内存、高速缓存、寄存器

CPU 包含一系列的寄存器，它们是 CPU 内存的基础。

CPU 在寄存器上操作的速度，远大于在主存上读写的速度。是因为 CPU 对寄存器的运行速度远大于主存。

那如何解决这个问题呢？需要引入高速缓存

计算机的存储设备与处理器的运算速度之间有着几个数量级的差距，所以现在的计算机系统都需要加一层读写速度尽可能和处理器运算速度接近的高速缓存，来作为内存和处理器之间的缓冲。

将运算所需要的数据复制到缓存中。让运算能快速的进行。当运算结束后，再把数据从缓存同步到内存之中。

这样处理器就不需要等待内存中的读写。

线程和主内存的抽象关系

线程之间的共享变量存储在主内存中，每个线程都有一个私有的本地内存，也可以叫做工作内存，本地内存是 Java 内存模型的一个抽象的概念，它并不是真实存在的，它涵盖了高速缓存、写缓冲区、寄存器、其它硬件和编译器优化。本地内存中存储以读或写共享变量的一个拷贝的副本。

从更底层来说，主内存就是硬件的内存，是为了获取更好的运行速度，虚拟机及硬件系统可能会让工作内存优先存储与寄存器和高速缓存中。

Java 内存模型的工作内存是寄存器和高速缓存的一个抽象描述。
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JVM 内存模型是一种对内存的物理划分，只局限在内存，而且也只局限于 JVM 的内存。

如果线程 A 和线程 B 获取主内存的共享变量进行更新操作，就会出现线程不安全的问题。

那就需要增加同步的手段来保证并发时结果的准确性。

同步的八种操作

• 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。
• unlock（解锁）：作用于主内存的变量，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。
• read（读取）：作用于主内存的变量，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。
• 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。
• 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。
• assign（赋值）：作用于工作内存的变量，把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量。
• 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。
• write（写入）: 作用于主内存的变量，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。

同步规则

1. 如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，就需要按照顺序地执行 read 和 load 操作。如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行 store 和 write 操作。但 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。（read 和 load 之间，store 和 write 之间是可以插入其它操作的。）
2. 不允许 read 和 load、store 和 write 操作之一单独出现。
3. 不允许一个线程丢弃它的最近 assign 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。
4. 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。
5. 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。即就是对一个变量实施 usd 和 store 之前，必须先执行过了 assign 和 load 操作。
6. 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作，但 lock 操作可以被同一线程重复执行好多次，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。lock 和 unlock 必须成对出现。
7. 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。
8. 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。
9. 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）。

这些同步操作和对应的基本规则是 Java 中并发相关的类在设计时都必须准守的。

这里必须注意的是，Java 内存模型还有特殊的规则，我们实际用到的时候再进行介绍。比如 final 修饰的值不允许修改，类似于这种的。

总结

我们回顾一下前面所讲的内容，Java 内存模型是一个规范，规定了一个线程如何和何时可以看到由其它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。

线程之间的通信必须经过主内存。同时 Java 内存模型定义了同步的八个操作及基本规则。这个为我们处理并发问题提供了理论基础。

参考链接：

• Java 高并发编程 1-5 Java 内存模型

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