Java并发（七）之 内存模型

概要

• Java 内存模型视图屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

主内存与工作内存

• 处理器上的寄存器的读写的速度比内存快几个数量级，为了解决这种速度矛盾，在它们之间加入了高速缓存。
• 加入高速缓存带来了一个新的问题：缓存一致性。如果多个缓存共享同一块主内存区域，那么多个缓存的数据可能会不一致。CPU 使用一致性协议来解决一致性问题。
  
• 所有的变量都存储在主内存中，每个线程还有自己的工作内存，工作内存存储在高速缓存或者寄存器中，保存了该线程使用的变量的主内存副本拷贝。
• 线程只能直接操作工作内存中的变量，不同线程之间的变量值传递需要通过主内存来完成。
  

内存间交互操作

• Java 内存模型定义了 8 个操作来完成主内存和工作内存的交互操作。
  
• read：把一个变量的值从主内存传输到工作内存中
• load：在 read 之后执行，把 read 得到的值放入工作内存的变量副本中
• use：把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎
• assign：把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量
• store：把工作内存的一个变量的值传送到主内存中
• write：在 store 之后执行，把 store 得到的值放入主内存的变量中
• lock：作用于主内存的变量
• unlock

内存模型三大特性

1. 原子性

• Java 内存模型保证了 read、load、use、assign、store、write、lock 和 unlock
  操作具有原子性，例如对一个 int 类型的变量执行 assign 赋值操作，这个操作就是原子性的。但是 Java
  内存模型允许虚拟机将没有被 volatile 修饰的 64 位数据（long，double）的读写操作划分为两次 32 位的操作来进行，即
  load、store、read 和 write 操作可以不具备原子性。
• 有一个错误认识就是，int 等原子性的变量在多线程环境中不会出现线程安全问题。前面的线程不安全示例代码中，cnt 变量属于 int 类型变量，1000 个线程对它进行自增操作之后，得到的值为 997 而不是 1000。

2. 可见性

• 可见性指当一个线程修改了共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值来实现可见性的。
• volatile 可保证可见性。synchronized 也能够保证可见性，对一个变量执行 unlock 操作之前，必须把变量值同步回主内存。final 关键字也能保证可见性：被 final 关键字修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且没有发生 this 逃逸（其它线程可以通过 this 引用访问到初始化了一般的对象），那么其它线程就能看见 final 字段的值。
• 对前面的线程不安全示例中的 cnt 变量用 volatile 修饰，不能解决线程不安全问题。因为 volatile 并不能保证操作的原子性。

3. 有序性

• 有序性是指：在本线程内观察，所有操作都是有序的。在一个线程观察另一个线程，所有操作都是无序的，无序是因为发生了指令重排序。
• 在 Java 内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。
• volatile 关键字通过添加内存屏障的方式来禁止指令重排，即重排序时不能把后面的指令放到内存屏障之前。
• 也可以通过 synchronized 来保证有序性，它保证每个时刻只有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码。