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Java的內(nèi)存模型
在Java語言中，采用的是共享內(nèi)存模型來實現(xiàn)多線程之間的信息交換和數(shù)據(jù)同步的。線程之間通過共享程序公共的狀態(tài)，通過讀-寫內(nèi)存中公共狀態(tài)的方式來進行隱式的通信。同步指的是程序在控制多個線程之間執(zhí)行程序的相對順序的機制，在共享內(nèi)存模型中，同步是顯式的，程序員必須顯式指定某個方法/代碼塊需要在多線程之間互斥執(zhí)行。下面是小編為大家?guī)淼腏ava的內(nèi)存模型，歡迎閱讀。
概述
Java內(nèi)存模型的主要目標是定義程序中各個變量的訪問規(guī)則，即在JVM中將變量存儲到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細節(jié)。此處的變量與Java編程里面的變量有所不同，它包含了實例字段、靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對象的元素，但不包含局部變量和方法參數(shù)，因為后者是線程私有的，不會共享，當然不存在數(shù)據(jù)競爭問題(如果局部變量是一個reference引用類型，它引用的對象在Java堆中可被各個線程共享，但是reference引用本身在Java棧的局部變量表中，是線程私有的)。為了獲得較高的執(zhí)行效能，Java內(nèi)存模型并沒有限制執(zhí)行引起使用處理器的特定寄存器或者緩存來和主內(nèi)存進行交互，也沒有限制即時編譯器進行調(diào)整代碼執(zhí)行順序這類優(yōu)化措施。
JMM規(guī)定了所有的變量都存儲在主內(nèi)存(Main Memory)中。每個線程還有自己的工作內(nèi)存(Working Memory),線程的工作內(nèi)存中保存了該線程使用到的變量的主內(nèi)存的副本拷貝，線程對變量的所有操作(讀取、賦值等)都必須在工作內(nèi)存中進行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量(volatile變量仍然有工作內(nèi)存的拷貝，但是由于它特殊的操作順序性規(guī)定，所以看起來如同直接在主內(nèi)存中讀寫訪問一般)。不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程之間值的傳遞都需要通過主內(nèi)存來完成。
線程1和線程2要想進行數(shù)據(jù)的交換一般要經(jīng)歷下面的步驟：
1.線程1把工作內(nèi)存1中的更新過的共享變量刷新到主內(nèi)存中去。
2.線程2到主內(nèi)存中去讀取線程1刷新過的共享變量，然后copy一份到工作內(nèi)存2中去。
內(nèi)存模型的特性
Java內(nèi)存模型是圍繞著并發(fā)編程中原子性、可見性、有序性這三個特征來建立的，那我們依次看一下這三個特征：
原子性(Atomicity)
原子性是指一個操作不能被打斷，要么全部執(zhí)行完畢，要么不執(zhí)行。在這點上有點類似于事務操作，要么全部執(zhí)行成功，要么回退到執(zhí)行該操作之前的狀態(tài)。
基本類型數(shù)據(jù)的訪問大都是原子操作，long 和double類型的變量是64位，但是在32位JVM中，32位的JVM會將64位數(shù)據(jù)的讀寫操作分為2次32位的讀寫操作來進行，這就導致了long、double類型的變量在32位虛擬機中是非原子操作，數(shù)據(jù)有可能會被破壞，也就意味著多個線程在并發(fā)訪問的時候是線程非安全的。
下面我們來演示這個32位JVM下，對64位long類型的數(shù)據(jù)的訪問的問題：
【代碼1】
public class NotAtomicity {
//靜態(tài)變量t
public static long t = 0;
//靜態(tài)變量t的get方法
public static long getT() {
return t;
}
//靜態(tài)變量t的set方法
public static void setT(long t) {
NotAtomicity.t = t;
}
//改變變量t的線程
public static class ChangeT implements Runnable{
private long to;
public ChangeT(long to) {
this.to = to;
}
public void run() {
//不斷的將long變量設值到 t中
while (true) {
NotAtomicity.setT(to);
//將當前線程的執(zhí)行時間片段讓出去，以便由線程調(diào)度機制重新決定哪個線程可以執(zhí)行
Thread.yield();
}
}
}
//讀取變量t的線程，若讀取的值和設置的值不一致，說明變量t的數(shù)據(jù)被破壞了，即線程不安全
public static class ReadT implements Runnable{
public void run() {
//不斷的讀取NotAtomicity的t的值
while (true) {
long tmp = NotAtomicity.getT();
//比較是否是自己設值的其中一個
if (tmp != 100L && tmp != 200L && tmp != -300L && tmp != -400L) {
//程序若執(zhí)行到這里，說明long類型變量t，其數(shù)據(jù)已經(jīng)被破壞了
System.out.println(tmp);
}
////將當前線程的執(zhí)行時間片段讓出去，以便由線程調(diào)度機制重新決定哪個線程可以執(zhí)行
Thread.yield();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new Thread(new ChangeT(100L)).start();
new Thread(new ChangeT(200L)).start();
new Thread(new ChangeT(-300L)).start();
new Thread(new ChangeT(-400L)).start();
new Thread(new ReadT()).start();
}
}
我們創(chuàng)建了4個線程來對long類型的變量t進行賦值，賦值分別為100,200，-300，-400，有一個線程負責讀取變量t,如果正常的話，讀取到的t的值應該是我們賦值中的一個，但是在32的JVM中(ps: 64位的就別想了)，事情會出乎預料。如果程序正常的話，我們控制臺不會有任何的輸出，可實際上，程序一運行，控制臺就輸出了下面的信息：
-4294967096
4294966896
-4294967096
-4294967096
4294966896
之所以會出現(xiàn)上面的情況，是因為在32位JVM中，64位的long數(shù)據(jù)的讀和寫都不是原子操作，即不具有原子性，并發(fā)的時候相互干擾了。
32位的JVM中，要想保證對long、double類型數(shù)據(jù)的操作的原子性，可以對訪問該數(shù)據(jù)的方法進行同步，就像下面的：
【代碼2】
public class Atomicity {
//靜態(tài)變量t
public static long t = 0;
//靜態(tài)變量t的get方法,同步方法
public synchronized static long getT() {
return t;
}
//靜態(tài)變量t的set方法，同步方法
public synchronized static void setT(long t) {
Atomicity.t = t;
}
//改變變量t的線程
public static class ChangeT implements Runnable{
private long to;
public ChangeT(long to) {
this.to = to;
}
public void run() {
//不斷的將long變量設值到 t中
while (true) {
Atomicity.setT(to);
//將當前線程的執(zhí)行時間片段讓出去，以便由線程調(diào)度機制重新決定哪個線程可以執(zhí)行
Thread.yield();
}
}
}
//讀取變量t的線程，若讀取的值和設置的值不一致，說明變量t的數(shù)據(jù)被破壞了，即線程不安全
public static class ReadT implements Runnable{
public void run() {
//不斷的讀取NotAtomicity的t的值
while (true) {
long tmp = Atomicity.getT();
//比較是否是自己設值的其中一個
if (tmp != 100L && tmp != 200L && tmp != -300L && tmp != -400L) {
//程序若執(zhí)行到這里，說明long類型變量t，其數(shù)據(jù)已經(jīng)被破壞了
System.out.println(tmp);
}
////將當前線程的執(zhí)行時間片段讓出去，以便由線程調(diào)度機制重新決定哪個線程可以執(zhí)行
Thread.yield();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new Thread(new ChangeT(100L)).start();
new Thread(new ChangeT(200L)).start();
new Thread(new ChangeT(-300L)).start();
new Thread(new ChangeT(-400L)).start();
new Thread(new ReadT()).start();
}
}
這樣做的話，可以保證對64位數(shù)據(jù)操作的原子性。
可見性
一個線程對共享變量做了修改之后，其他的線程立即能夠看到(感知到)該變量這種修改(變化)。
Java內(nèi)存模型是通過將在工作內(nèi)存中的變量修改后的值同步到主內(nèi)存，在讀取變量前從主內(nèi)存刷新最新值到工作內(nèi)存中，這種依賴主內(nèi)存的方式來實現(xiàn)可見性的。
無論是普通變量還是volatile變量都是如此，區(qū)別在于：volatile的特殊規(guī)則保證了volatile變量值修改后的新值立刻同步到主內(nèi)存，每次使用volatile變量前立即從主內(nèi)存中刷新，因此volatile保證了多線程之間的操作變量的可見性，而普通變量則不能保證這一點。
除了volatile關(guān)鍵字能實現(xiàn)可見性之外，還有synchronized,Lock，final也是可以的。
使用synchronized關(guān)鍵字，在同步方法/同步塊開始時(Monitor Enter),使用共享變量時會從主內(nèi)存中刷新變量值到工作內(nèi)存中(即從主內(nèi)存中讀取最新值到線程私有的工作內(nèi)存中)，在同步方法/同步塊結(jié)束時(Monitor Exit),會將工作內(nèi)存中的變量值同步到主內(nèi)存中去(即將線程私有的工作內(nèi)存中的值寫入到主內(nèi)存進行同步)。
使用Lock接口的最常用的實現(xiàn)ReentrantLock(重入鎖)來實現(xiàn)可見性：當我們在方法的開始位置執(zhí)行l(wèi)ock.lock()方法，這和synchronized開始位置(Monitor Enter)有相同的語義，即使用共享變量時會從主內(nèi)存中刷新變量值到工作內(nèi)存中(即從主內(nèi)存中讀取最新值到線程私有的工作內(nèi)存中)，在方法的最后finally塊里執(zhí)行l(wèi)ock.unlock()方法，和synchronized結(jié)束位置(Monitor Exit)有相同的語義,即會將工作內(nèi)存中的變量值同步到主內(nèi)存中去(即將線程私有的工作內(nèi)存中的值寫入到主內(nèi)存進行同步)。
final關(guān)鍵字的可見性是指：被final修飾的變量，在構(gòu)造函數(shù)數(shù)一旦初始化完成，并且在構(gòu)造函數(shù)中并沒有把“this”的引用傳遞出去(“this”引用逃逸是很危險的，其他的線程很可能通過該引用訪問到只“初始化一半”的對象)，那么其他線程就可以看到final變量的值。
有序性
對于一個線程的代碼而言，我們總是以為代碼的執(zhí)行是從前往后的，依次執(zhí)行的。這么說不能說完全不對，在單線程程序里，確實會這樣執(zhí)行;但是在多線程并發(fā)時，程序的執(zhí)行就有可能出現(xiàn)亂序。用一句話可以總結(jié)為：在本線程內(nèi)觀察，操作都是有序的;如果在一個線程中觀察另外一個線程，所有的操作都是無序的。前半句是指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行語義(WithIn Thread As-if-Serial Semantics)”,后半句是指“指令重排”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存和主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。
Java提供了兩個關(guān)鍵字volatile和synchronized來保證多線程之間操作的有序性,volatile關(guān)鍵字本身通過加入內(nèi)存屏障來禁止指令的重排序，而synchronized關(guān)鍵字通過一個變量在同一時間只允許有一個線程對其進行加鎖的規(guī)則來實現(xiàn)，在單線程程序中，不會發(fā)生“指令重排”和“工作內(nèi)存和主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象，只在多線程程序中出現(xiàn)。
happens-before原則
Java內(nèi)存模型中定義的兩項操作之間的次序關(guān)系，如果說操作A先行發(fā)生于操作B，操作A產(chǎn)生的影響能作B觀察到，“影響”包含了修改了內(nèi)存享變量的值、發(fā)送了消息、調(diào)用了方法等。
下面是Java內(nèi)存模型下一些”天然的“happens-before關(guān)系，這些happens-before關(guān)系無須任何同步器協(xié)助就已經(jīng)存在，可以在編碼中直接使用。如果兩個操作之間的關(guān)系不在此列，并且無法從下列規(guī)則推導出來的話，它們就沒有順序性保障，虛擬機可以對它們進行隨意地重排序。
程序次序規(guī)則(Pragram Order Rule)：在一個線程內(nèi)，按照程序代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作。準確地說應該是控制流順序而不是程序代碼順序，因為要考慮分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)。
管程鎖定規(guī)則(Monitor Lock Rule)：一個unlock操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖的lock操作。這里必須強調(diào)的是同一個鎖，而”后面“是指時間上的先后順序。
volatile變量規(guī)則(Volatile Variable Rule)：對一個volatile變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀取操作，這里的”后面“同樣指時間上的先后順序。
線程啟動規(guī)則(Thread Start Rule)：Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每一個動作。
線程終于規(guī)則(Thread Termination Rule)：線程中的所有操作都先行發(fā)生于對此線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結(jié)束，Thread.isAlive()的返回值等作段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。
線程中斷規(guī)則(Thread Interruption Rule)：對線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生，可以通過Thread.interrupted()方法檢測是否有中斷發(fā)生。
對象終結(jié)規(guī)則(Finalizer Rule)：一個對象初始化完成(構(gòu)造方法執(zhí)行完成)先行發(fā)生于它的finalize()方法的開始。
傳遞性(Transitivity)：如果操作A先行發(fā)生于操作B，操作B先行發(fā)生于操作C，那就可以得出操作A先行發(fā)生于操作C的結(jié)論。
一個操作”時間上的先發(fā)生“不代表這個操作會是“先行發(fā)生"，那如果一個操作"先行發(fā)生"是否就能推導出這個操作必定是"時間上的先發(fā)生"呢?也是不成立的，一個典型的例子就是指令重排序。所以時間上的先后順序與happens-before原則之間基本沒有什么關(guān)系，所以衡量并發(fā)安全問題一切必須以happens-before 原則為準。
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