Java内存模型「建议收藏」

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主内存和工作内存

Java内存模型的主要目标是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、静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量与 方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。为了获得较 好的执行效能，Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内 存进行交互，也没有限制即时编译器进行调整代码执行顺序这类优化措施。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中（此处的主内存与 介绍物理硬件时的主内存名字一样，两者也可以互相类比，但此处仅是虚拟机内存的一部 分）。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory，可与前面讲的处理器高速缓存类 比），线程的工作内存中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（读取、赋值等）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对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主 内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下图所示。

内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，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内存模型中定义了以下8种操作来 完成，虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double 和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外，这个问题后面再出博客单独讲一下）。

• 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将会执行这个操作。
• 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，以便随后的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。

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序地执行read和load操作，如果 要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行store和write操作。注意，Java内存模型 只要求上述两个操作必须按顺序执行，而没有保证是连续执行。也就是说，read与load之 间、store与write之间是可插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能 出现顺序是read a、read b、load b、load a。除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述8种 基本操作时必须满足如下规则：

1. 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内存不接受的情况出现。
2. 不允许一个线程丢弃它的最近的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。
3. 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步 回主内存中。
4. 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 过了assign和load操作。
5. 一个变量在同一个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。
6. 如果对一个变量执行lock操作，那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。
7. 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去 unlock一个被其他线程锁定住的变量。
8. 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）。

这8种内存访问操作以及上述规则限定，再加上稍后介绍的对volatile的一些特殊规定， 就已经完全确定了Java程序中哪些内存访问操作在并发下是安全的。由于这种定义相当严谨 但又十分烦琐，实践起来很麻烦，所以在12.3.6节中笔者将介绍这种定义的一个等效判断原 则——先行发生原则，用来确定一个访问在并发环境下是否安全。