Java虚拟机——Java内存模型

在共享内存的多处理器体系架构中，每个处理器都拥有自己的缓存，并且定期地与主内存进行协调。

什么是内存模型

假设一个线程为变量aVariable赋值： aVariable=3；

内存模型需要解决这个问题：“在什么条件下，读取aVariable的线程将看到这个值为3?” 这听起来似乎是一个愚蠢的问题，但如果缺少同步，将会有许多因素使得线程无法立即甚至永远，看到另一个线程的操作结果。

在编译器中生成的指令顺序，可以与源代码中的顺序不同，此外编译器还会把变量保存在寄存器而不是内存中；处理器可以采用乱序或并行等方式来执行指令；缓存可能会改变将写入变量提交到主内存的次序；而且，保存在处理器本地缓存中的值，对于其他处理器是不可见的。这些因素都会使得一个线程无法看到变量的最新值，并且会导致其他线程中的内存操作似乎在乱序执行——如果没使用正确的同步。

平台的内存模型

现代计算机系统加入一层或多层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。它引入了一个新的问题：缓存一致性（Cache Coherence）

在不同的处理器架构中提供了不同级别的缓存一致性（Cache Coherence)，即允许不同的处理器在任意时刻从同一个存储位置上看到不同的值。要想确保每个处理器都能在任意时刻知道其他处理器正在进行的工作，将需要非常大的开销。在大多数时间里，这种信息是不必要的，因此处理器会适当放宽存储一致性保证，以换取性能的提升。

在架构定义的内存模型中将告诉应用程序可以从内存系统中获得怎样的保证，此外还定义了一些特殊的指令（称为内存栅栏或栅栏），当需要共享数据时，这些指令就能实现额外的存储协调保证。

不同架构的物理机器可以拥有不一样的内存模型，而Java虚拟机也有自己的内存模型，并且JVM通过在适当的位置上插入内存栅栏来屏蔽在JMM与底层平台内存模型之间的差异。

处理器、高速缓存、主内存间的交互关系

重排序

为了使处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行（Out-Of-Order Execution）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，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。

重排序分3种类型。

编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism，ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有指令重排序（Instruction Reorder）优化。从Java源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面3种重排序

上述的1属于编译器重排序，2和3属于处理器重排序。这些重排序可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（Memory Barriers，Intel称之为 Memory Fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

常见处理器允许的重排序类型的:

Java内存模型

Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即在虚拟机中把变量值存储到内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。为了获得更好的执行效能，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是否要进行调整代码执行顺序这类优化措施。

主内存与工作内存

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提到的主内存名字一样，两者也可以类比，但物理上它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的变量的主内存副本，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数据。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

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这一类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成。

Java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

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拷贝到工作内存，那就要按顺序执行read和load操作，
如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要按顺序执行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，但不要求是连续执行。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，一种可能出现的顺序是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：

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，或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
不允许一个线程丢弃它最近的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（没有发生过任何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assign和load操作。
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。
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操作以初始化变量的值。
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的变量。
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）

这种定义相当严谨，但也是极为烦琐，实践起来更是无比麻烦。后来Java设计团大概也意识到了这个问题，将Java内存模型的操作简化为read、write、lock和unlock四种，但这只是语言描述上的等价化简，Java内存模型的基础设计并未改变。除了进行虚拟机开发的团队外，大概没有其他开发人员会以这种方式来思考并发问题，我们只需要理解Java内存模型的定义即可。

对于volatile型变量的特殊规则

Java内存模型为volatile专门定义了一些特殊的访问规则，当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性：

第一项是保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一条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。而普通变量并不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递时均需要通过主内存来完成。比如，线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一条线程B在线程A回写完成了之后再对主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。

volatile变量在各个线程的工作内存中是不存在一致性问题的（从物理存储的角度看，各个线程的工作内存中volatile变量也可以存在不一致的情况，但由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看不到不一致的情况，因此可以认为不存在一致性问题），但是Java里面的运算操作符并非原子操作，这导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。

    /**
     * volatile变量自增运算测试
     */
    public static volatile int race = 0;

    public static void increase() {
        race++;
    }

    private static final int THREADS_COUNT = 5;

    public static void main(String[] args) {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                        increase();
                    }
                }
            });
            threads[i].start();
        }
    // 等待所有累加线程都结束
        while (Thread.activeCount() > 1)
            Thread.yield();
        System.out.println(race);
    }
----------------输出结果-----------------------
输出的结果应该是5000，输出的结果都不一样，都是一个小于5000的数字

问题就出在自增运算“race++”之中，通过IDEA插件jclasslib bytecode viewer 输出字节码

只有一行代码的increase()方法在Class文件中是由4条字节码指令构成（return指令不是由race++产生的，这条指令可以不计算），从字节码层面上已经很容易分析出并发失败的原因了：当getstatic指令把race的值取到操作栈顶时，volatile关键字保证了race的值在此时是正确的，但是在执行iconst_1、iadd这些指令的时候，其他线程可能已经把race的值改变了，而操作栈顶的值就变成了过期的数据，所以putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步回主内存之中。

当且仅当满足以下所有条件时，才应该使用volatile变量：

对变量的写入操作不依赖变量的当前值，或者你能确保只有单个线程更新变量的值。
该变量不会与其他状态变量一起纳入不变性条件中。

在访问变量时不需要加锁。

/**
 * volatile的使用场景
 * 
 * 当shutdown()方法被调用时，能保证所有线程中
 * 执行的doWork()方法都立即停下来
 *
 */
volatile boolean shutdownRequested;
public void shutdown() {
    shutdownRequested = true;
}
public void doWork() {
    while (!shutdownRequested) {
        // 代码的业务逻辑
    }
}

第二项是是禁止指令重排序优化，普通的变量仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在同一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这就是Java内存模型中描述的所谓“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics）。

	static int x = 0, y = 0;
	static int a = 0, b = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread one = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                a = 1;
                x = b;
            }
        });

        Thread other = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                b = 1;
                y = a;
            }
        });
        one.start();
        other.start();
        one.join();
        other.join();
        System.out.println("x = "+x+" y="+y);
    }

上面程序中，在没有正确同步的情况下，即使要推断最简单的并发程序的行为也很困难。很容易想象会输出（1，0)或（0，1)或（1，1)的：线程A可以在线程B开始之前就执行完成，线程B也可以在线程A开始之前执行完成，或者二者的操作交替执行。但奇怪的是，还可以输出（0，0）。由于每个线程中的各个操作之间不存在数据流依赖性，因此这些操作可以乱序执行。（即使这些操作按照顺序执行，但在将缓存刷新到主内存的不同时序中也可能出现这种情况，从线程B的角度看，线程A中的赋值操作可能以相反的次序执行。）

volatile关键字则可以避免此类情况的发生，指令重排序是并发编程中最容易导致开发人员产生疑惑的地方之一。

volatile关键字是如何禁止指令重排序优化的：

从硬件架构上讲，指令重排序是指处理器采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各个相应的电路单元进行处理。但并不是说指令任意重排，处理器必须能正确处理指令依赖情况保障程序能得出正确的执行结果。譬如指令1把地址A中的值加10，指令2把地址A中的值乘以2，指令3把地址B中的值减去3，这时指令1和指令2是有依赖的，它们之间的顺序不能重排——(A+10)*2与A*2+10显然不相等，但指令3可以重排到指令1、2之前或者中间，只要保证处理器执行后面依赖到A、B值的操作时能获取正确的A和B值即可。所以在同一个处理器中，重排序过的代码看起来依然是有序的。因此，lock addl $0x0，(%esp)指令把修改同步到内存时，意味着所有之前的操作都已经执行完成，这样便形成了“指令重排序无法越过内存屏障”的效果。volatile修饰的变量，赋值后多执行了一个“lock addl$ 0x0，(%esp)”操作，这个操作的作用相当于一个内存屏障（Memory Barrier或Memory Fence，指重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置）只有一个处理器访问内存时，并不需要内存屏障；但如果有两个或更多处理器访问同一块内存，且其中有一个在观测另一个，就需要内存屏障来保证一致性了。

volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，但是写操作则可能会慢上一些，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。不过即便如此，大多数场景下volatile的总开销仍然要比锁来得更低。

原子性、可见性与有序性

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的

1.原子性（Atomicity）

由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write这六个，我们大致可以认为，基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的

Java内存模型还提供了lock和 unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作。这两个字节码指令反映到Java 代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。

2.可见性（Visibility）

可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时，其他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这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此。普通变量与volatile变量的区别是，volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。因此我们可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性。

除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，它们是synchronized和final。同步块的可见性是由“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）”这条规则获得的。而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成，并且构造器没有把“this”的引用传递出去（this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象），那么在其他线程中就能看见final字段的值。

3.有序性（Ordering）

Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内似表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics），后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

Happens-Before规则

如果Java内存模型中所有的有序性都仅靠volatile和synchronized来完成，那么有很多操作都将会变得非常啰嗦。JMM为程序所有操作定义了“先行发生”（Happens-Before）的原则。

要想保证执行操作B的线程看到操作A的结果（无论A和B是否在同一个线程中执行），那么在A和B之间必须满足Happens-Before关系。如果两个操作之间缺乏Happens-Before关系，那么JVM可以对它们任意地重排序。当一个变量被多个线程读取并且至少被一个线程写入时，如果在读操作和写操作之间没有依照Happens-Before来排序，那么就会产生数据竞争问题。

Happens-Before规则。

程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照控制流顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。注意，这里说的是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环等结构。
管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是“同一个锁”，而“后面”是指时间上的先后。
volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：对一个volatile变量的写操作必须在对该变量读操作之前执行。
线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread对象的start()方法必须在该线程执行任何操作之前执行。
线程终止规则（Thread Termination Rule）：线程中的任何操作必须在其他线程检测到该线程以及结束之前执行，或者从Thread.join中成功返回，或者在调用Thread.isAlve时返回false。
线程中断规则（Thread Interruption Rule）：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生，可以通过Thread::interrupted()方法检测到是否有中断发生。
对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的 finalize()方法的开始。
传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A必须再操作C之前执行。

Java内存模型说明了某个线程的内存操作在哪些情况下对于其他线程是可见的。其中包括确保这些操作是按照一种Happens-Before的偏序关系进行排序，而这种关系是基于内存操作和同步操作等级别来定义的。

参考

深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）
Java并发编程实战