JVM之内存模型与线程

由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存来作为内存与处理器之间的缓冲。
基于高度缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但也引入了一个新的问题：缓存一致性。在多处理系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存，如下图所示。当多个处理器的运算任务都涉及同一主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致，如果发生这种情况，就需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作。

除了增加高速缓存外，处理器还可能对输入代码进行乱序执行优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证各个语句计算的先后顺序与输入顺序代码一致。与处理器的乱序执行优化类似，JVM中也有类似的指令重排序优化。

1、Java内存模型

JVM规范定义了一种Java内存模型（JMM），可以屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，实现在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

1.1主内存与工作内存

JMM规定了所有变量都存储在主内存中。每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问工作内存中的变量，线程间变量值得传递均需要通过主内存来完成，主内存、工作内存、线程之间的交互关系如下：

1.2内存间交互操作

JMM中定义了8种操作来完成变量从主内存拷贝到工作内存及从工作内存同步回主内存之类的实现。虚拟机实现时必须保证8种操作的每一种都是原子的、不可再分的，也就是保证每种操作必须具有原子性。

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，它把处于一个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得字节码指令时将会执行这个操作。
assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把从一个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，以便随后的write操作。
write（写入）：作用于主内存的变量，他把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。

如果把变量从主内存复制到工作内存，就要顺序的执行read与load操作。如果从工作内存同步回主内存，就要顺序的执行store与write操作。注意，JMM主要求上述操作必须顺序执行，但不保证连续执行。也就是说可以在这两操作之间插入其他指令。JMM还规定了执行上述8种操作时必须满足如下规则：

不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起回写了但主线程不接受的情况出现。
不允许一个线程弄丢它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
不允许一个线程无原因地（没有发生任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
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，换句话说，就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过assign和load操作。
一个内存变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，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（可重入锁？？？）
如果对一个变量执行lock操作，那就会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量之前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）

由于这种定义相当严谨但又十分烦琐，实践起来很麻烦，所以就有了一个能与该定义等效判断的原则——先行发生原则。这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的重要依据。
先行发生是JMM中定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作A先行发生于操作B，也就是说发生在操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。来看一段伪代码：

    //发生在线程A
    i=1;
    //发生在线程B
    j=i
    //发生在线程C
    i=2;

根据先行发生原则，如果线程A的操作先行发生于线程B的操作，那么就可以确定线程B中的j=1，但如果线程C加入到线程A与线程B操作之间且线程C与线程B没有先行关系，那么线程B的值是多少尼？不确定，1和2都有可能。注意：这里的先行原则并不是时间上的先后顺序，而必须是实际操作上的先后顺序，因为时间上的先后顺序在并发中也不靠谱。

public class MyExample {
    private int value;
    public void setValue(int value){
        this.value=value;
    }
    public int getValue(){
        return value;
    }
    public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
        MyExample thread=new MyExample();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                thread.setValue(100);
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("value--->>>"+thread.getValue());
            }
        }).start();
    }
}

上面就是一个时间上先行发生原则的示例，先在一个线程中给value赋值，再在另外一个线程中打印出这个值，这个值该是多少尼？不确定，0与100都有可能，所以时间上的先后顺序是有问题的。必须要操作上的先后顺序才可。

1.2对于volatile的特殊规则

volatile可以说是JVM提供的最轻量级的同步机制，但很多Java开发者都不习惯使用这个关键字，遇到同步问题时也是直接使用synchronize来解决，所以了解volation对于多线程操作来说很有意义。
当一个变量定义为volation后，它将具备两个特性。

保证此变量对所有线程的可见性
禁止指令重排序优化

这里的“可见性”是指当一个线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的，但这并不代表着“基于volatile变量的运算在并发下是安全的”，因为Java计算不具备原子性。下面来看一个示例。

public class MyExample {
    private volatile int value;
    public static void main(String args[]) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);
        MyExample example= new MyExample ();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int i=0;i<10000;i++){
                        example.value++;
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
        countDownLatch.await();
        System.out.println("value--->>>" + example.value);
    }
}

如果基于volatile变量的运算是安全的话，那么打印的value值该是100000，但其实并不是，是一个低于100000的随意值。这是为什么尼？因为线程A对value操作后，在同步回主线程时候，线程B又对value进行了操作，这时候线程B中value的值比主内存中value的值要大，但由于基于volatile的值会立即将主内存的值同步给各个线程，所以线程B中的值就就会更新为主内存中的值，就会变小，这样计算出来的值就不正确。也可以这么理解，volatile写入值不是线程安全的，但读取值是线程安全的。

2、总结

可以发现JMM都是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性来建立的。

原子性：由JMM来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write，大致可以认为基本数据类型的访问读写时具备原子性的
可见性：指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改，但可见性并不代表原子性。
有序性：指线程操作之间的先行发生原则，Java中提供了volatile与synchronize来保证线程之间操作的有序性。

【参考资料】
不一样的视角:从JVM内存模型谈线程安全