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Java内存模型JMM

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​​java内存模型JMM理解整理​​

什么是JMM

JMM即为JAVA 内存模型（java memory model）。因为在不同的硬件生产商和不同的操作系统下，内存的访问逻辑有一定的差异，结果就是当你的代码在某个系统环境下运行良好，并且线程安全，但是换了个系统就出现各种问题。Java内存模型，就是为了屏蔽系统和硬件的差异，让一套代码在不同平台下能到达相同的访问结果。JMM从Java 5开始的JSR-133发布后，已经成熟和完善起来。

内存划分

JMM规定了内存主要划分为主内存和工作内存两种。此处的主内存和工作内存跟JVM内存划分（堆、栈、方法区）是在不同的层次上进行的，如果非要对应起来，主内存对应的是Java堆中的对象实例部分，工作内存对应的是栈中的部分区域，从更底层的来说，主内存对应的是硬件的物理内存，工作内存对应的是寄存器和高速缓存。

Java内存模型JMM_构造器

JVM在设计时候考虑到，如果JAVA线程每次读取和写入变量都直接操作主内存，对性能影响比较大，所以每条线程拥有各自的工作内存，工作内存中的变量是主内存中的一份拷贝，线程对变量的读取和写入，直接在工作内存中操作，而不能直接去操作主内存中的变量。但是这样就会出现一个问题，当一个线程修改了自己工作内存中变量，对其他线程是不可见的，会导致线程不安全的问题。因为JMM制定了一套标准来保证开发者在编写多线程程序的时候，能够控制什么时候内存会被同步给其他线程。

内存交互操作

内存交互操作有8种，虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的，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例外）。

  1. lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态。
  2. 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。
  3. read（读取）：作用于主内存变量，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。
  4. 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放入工作内存中。
  5. use（使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令。
  6. assign （赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中。
  7. store（存储）：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write使用。
  8. write（写入）：作用于主内存中的变量，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。

JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则：

  1. 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load，使用了store必须write。
  2. 不允许线程丢弃他最近的assign操作，即工作内存中变量的值发生改变了之后，必须告知主存。
  3. 不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存。
  4. 一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是对变量实施use、store操作之前，必须经过assign和load操作。
  5. 一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后，必须执行相同次数的unlock才能解锁。
  6. 如果对一个变量进行lock操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，必须重新load或assign操作初始化变量的值。
  7. 如果一个变量没有被lock，就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量。
  8. 对一个变量进行unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存。

JMM对这八种操作规则和对volatile的一些特殊规则就能确定哪些操作是线程安全，哪些操作是线程不安全的了。但是这些规则实在复杂，很难在实践中直接分析。所以一般我们也不会通过上述规则进行分析。更多的时候，使用Java的happen-before规则来进行分析。

模型特征

原子性：例如上面八项操作，在操作系统里面是不可分割的单元。被synchronized关键字或其他锁包裹起来的操作也可以认为是原子的。从一个线程观察另外一个线程的时候，看到的都是一个个原子性的操作。

synchronized (this) {
             a=1;
             b=2;
         }

例如一个线程观察另外一个线程执行上面的代码，只能看到a、b都被赋值成功结果，或者a、b都尚未被赋值的结果。

可见性：每个线程都有自己的工作内存，所以当某个线程修改完某个变量之后，在其他的线程中，未必能观察到该变量已经被修改。volatile关键字要求被修改之后的变量要求立即更新到主内存，每次使用前从主内存处进行读取。因此volatile可以保证可见性。除了volatile以外，synchronized和final也能实现可见性。synchronized保证unlock之前必须先把变量刷新回主内存。final修饰的字段在构造器中一旦完成初始化，并且构造器没有this逸出，那么其他线程就能看到final字段的值。

有序性：Java的有序性跟线程相关。如果在线程内部观察，会发现当前线程的一切操作都是有序的。如果在线程的外部来观察的话，会发现线程的所有操作都是无序的。因为JMM的工作内存和主内存之间存在延迟，而且Java会对一些指令进行重新排序。volatile和synchronized可以保证程序的有序性，很多程序员只理解这两个关键字的执行互斥，而没有很好的理解到volatile和synchronized也能保证指令不进行重排序。

Final域的内存语义

被final修饰的变量，相比普通变量，内存语义有一些不同。具体如下：

  • JMM禁止把Final域的写重排序到构造器的外部。
  • 在一个线程中，初次读该对象和读该对象下的Final域，JMM禁止处理器重新排序这两个操作。
public class FinalConstructor {

    final int a;

    int b;

    static FinalConstructor finalConstructor;

    public FinalConstructor() {
        a = 1;
        b = 2;
    }

    public static void write() {
        finalConstructor = new FinalConstructor();
    }

    public static void read() {
        FinalConstructor constructor = finalConstructor;
        int A = constructor.a;
        int B = constructor.b;
    }
}

假设现在有线程A执行FinalConstructor.write()方法，线程B执行FinalConstructor.read()方法。

对应上述的Final的第一条规则，因为JMM禁止把Final域的写重排序到构造器的外部，而对普通变量没有这种限制，所以变量A=1，而变量B可能会等于2（构造完成），也有可能等于0（第11行代码被重排序到构造器的外部）。

对应上述的Final的第二条规则，如果constructor的引用不为null，A必然为1，要么constructor为null，抛出空指针异常。保证读Final域之前，一定会先读该对象的引用。但是普通对象就没有这种规则。

（上述的Final规则反复测试，遗憾的是我并没有能模拟出来普通变量不能正常构造的结果）。

Happen-Before（先行发生规则）

在常规的开发中，如果我们通过上述规则来分析一个并发程序是否安全，估计脑壳会很疼。因为更多时候，我们是分析一个并发程序是否安全，其实都依赖Happen-Before原则进行分析。Happen-Before被翻译成先行发生原则，意思就是当A操作先行发生于B操作，则在发生B操作的时候，操作A产生的影响能被B观察到，“影响”包括修改了内存中的共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。

Happen-Before的规则有以下几条：

  1. 程序顺序规则（Program Order Rule）：在一个单独的线程中，按照程序代码的执行流顺序，（时间上）先执行的操作happen—before（时间上）后执行的操作。
  2. 管理锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个unlock操作happen—before后面（时间上的先后顺序，下同）对同一个锁的lock操作。
  3. volatile变量规则（volatile Variable Rule）：对一个volatile变量的写操作happen—before后面对该变量的读操作。
  4. 线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread对象的start()方法happen—before此线程的每一个动作。
  5. 线程中止规则（Thread Termination Rule）：线程的所有操作都happen—before对此线程的终止检测，可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
  6. 线程中断规则（Thread Interruption Rule）：对线程的interrupt()调用，happen—before被调用的线程检测中断事件(Thread.interrupted())的发生。
  7. 对象中止规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）happen—before它的finalize()方法的开始。
  8. 传递性（Transitivity）：如果操作A happen—before操作B，操作B happen—before操作C，那么可以得出A happen—before操作C。

需要注意的是：

两个操作之间具有happens-before关系，并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行！happens-before仅仅要求前一个操作（执行的结果）对后一个操作可见，且前一个操作按顺序排在第二个操作之前。

以上就是Happen-Before中的规则。通过这些条件的判定，仍然很难判断一个线程是否能安全执行，毕竟在很多时候线程安全多数依赖于工具类的安全性来保证。想提高自己对线程是否安全的判断能力，必然需要理解所使用的框架或者工具的实现，并积累线程安全的经验。