前言

在前面研磨java内存模型（一），我们讲到物理机中遇到的问题，主要有硬件的效率问题，缓存一致性问题 ，代码乱序执行优化问题。下面将从这几个方面来类比介绍java内存模型。

1.Java 内存模型的组成分析

2.Java 内存间的交互操作

Java 内存模型的组成分析

内存模型概念

我们可以把内存模型理解为在特定操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。不同架构的物理计算机可以有不一样的内存模型，Java 虚拟机也有自己的内存模型。Java 虚拟机规范中试图定义一种 Java 内存模型（Java Memory Model，简称 JMM）来屏蔽掉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，不必因为不同平台上的物理机的内存模型的差异，对各平台定制化开发程序。更具体一点说，Java 内存模型提出目标在于，定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量(Variables)与 Java 编程中所说的变量有所区别，它包括了实例字段、静态字段和构成数值对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的。

注：如果局部变量是一个 reference 类型，它引用的对象在 Java 堆中可被各个线程共享，但是 reference 本身在 Java 栈的局部变量表中，它是线程私有的。

Java 内存模型的组成

主内存

Java 内存模型规定了所有变量都存储在主内存(Main Memory)中（此处的主内存与介绍物理硬件的主内存名字一样，两者可以互相类比，但此处仅是虚拟机内存的一部分）。

工作内存

每条线程都有自己的工作内存(Working Memory，又称本地内存，可与前面介绍的处理器高速缓存类比)，线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存中的共享变量的副本拷贝。工作内存是 JMM 的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

Java 内存模型抽象示意图如下：

JVM 内存操作的并发问题

结合前面介绍的物理机的处理器处理内存的问题，可以类比总结出 JVM 内存操作的问题，下面介绍的 Java 内存模型的执行处理将围绕解决这两个问题展开。

工作内存数据一致性

各个线程操作数据时会保存使用到的主内存中的共享变量副本，当多个线程的运算任务都涉及同一个共享变量时，将导致各自的共享变量副本不一致，如果真的发生这种情况，数据同步回主内存以谁的副本数据为准？ Java 内存模型主要通过一系列的数据同步协议、规则来保证数据的一致性，后面再详细介绍。

指令重排序优化

Java 中重排序通常是编译器或运行时环境为了优化程序性能而采取的对指令进行重新排序执行的一种手段。

重排序分为两类：编译期重排序和运行期重排序，分别对应编译时和运行时环境。

同样的，指令重排序不是随意重排序，它需要满足以下两个条件：

在单线程环境下不能改变程序运行的结果。即时编译器（和处理器）需要保证程序能够遵守 as-if-serial 属性。

通俗地说，就是在单线程情况下，要给程序一个顺序执行的假象。即经过重排序的执行结果要与顺序执行的结果保持一致。
存在数据依赖关系的不允许重排序。

多线程环境下，如果线程处理逻辑之间存在依赖关系，有可能因为指令重排序导致运行结果与预期不同，后面再展开 Java 内存模型如何解决这种情况。

Java 内存间的交互操作

在理解 Java 内存模型的系列协议、特殊规则之前，我们先理解 Java 中内存间的交互操作。

线程 1 和线程 2 都有主内存中共享变量 x 的副本，初始时，这 3 个内存中 x 的值都为 0。

线程 1 中更新 x 的值为 1 之后同步到线程 2 主要涉及两个步骤：

线程 1 把线程工作内存中更新过的 x 的值刷新到主内存中。
线程 2 到主内存中读取线程 1 之前已更新过的 x 变量。

从整体上看，这两个步骤是线程 1 在向线程 2 发消息，这个通信过程必须经过主内存。JMM 通过控制主内存与每个线程本地内存之间的交互，来为各个线程提供共享变量的可见性。

内存交互的基本操作

关于主内存与工作内存之间的具体交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节，Java 内存模型中定义了下面 8 种操作来完成。虚拟机实现时必须保证下面介绍的每种操作都是原子的，不可再分的(对于 double 和 long 型的变量来说，load、store、read、和 write 操作在某些平台上允许有例外）。

8 种基本操作，如下图：

lock (锁定) ，作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
unlock (解锁) ，作用于主内存的变量，它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，它把一个变量的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，它把 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，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时就会执行这个操作。
assign (赋值) ，作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
store (存储) ，作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后 write 操作使用。
write (写入) ，作用于主内存的变量，它把 Store 操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

原文链接

Java内存模型原理，你真的理解吗？

原创：陈彩华

研磨java内存模型（二）

前言