Java虚拟机规范中定义了Java内存模型（Java Memory Model，JMM），用于屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果，JMM规范了Java虚拟机与计算机内存是如何协同工作的：规定了一个线程如何和何时可以看到由其他线程修改过后的共享变量的值，以及在必须时如何同步的访问共享变量。

01｜主内存与工作内存

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，即关注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。此处的变量（Variables）是指实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量和方法参数，后者是线程私有，不会被共享，不会存在竞争问题。

image.png

Java内存模型规定了所有的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。
关于主内存和本地工作内存之间的具体交互协议，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到主哪出之间的实现细节，Java内存模型定义了以下八种操作来完成：

  • lock：作用于主内存的变量，把一个变量标示为一个线程独占状态。
  • unlock：作用于主内存变量，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：作用于主内存变量，把一个变量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：作用于工作内存的变量，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：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，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：作用于工作内存的变量，把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，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：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
  • write：作用于主内存的变量，把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足以下规则：

  • 1、如果要把一个变量从主内存赋值到工作内存，需要按照顺序执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步会主内存中，就要按顺序执行store和write操作，但Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。
  • 2、不允许read和load、store和write操作之一单独出现。
  • 3、不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
  • 4、不允许一个线程无原因的把数据从工作内存同步回主内存中。
  • 5、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的变量。
  • 6、一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一线程重复执行多次，多次执行之后，只有执行相关次数的unlock操作额，变量才会被解锁，
  • 7、如果对一个变量执行lock操作，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。
  • 8、如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
  • 9、对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中。

02｜volatile型变量的特殊规则

当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性：

  • 1、可见性：保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指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。

  • 2、禁止指令重排序优化：保证代码的执行顺序和程序的编写顺序相同。

    03｜原子性、可见性、有序性

    3.1｜原子性

    由Java 内存模型来直接保障的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store、write。可以大致认为对基本类型的访问、读写都是具备原子性。synchronized块之间的操作也具备原子性

    3.2｜可见性

    可见性是指当一个线程修改了共享变量的值时，其它线程能够立即得知这个修改。能够保障可见性的关键字：

  • volatile

  • synchronized
  • final

    3.3｜有序性

如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程观察另一个线程，所有的操作都是无序的。
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。

04｜先行发生原则

先行发生（Happens-Before）原则是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的手段。Java内存模型先行发生规则如下：

  • 程序次序规则：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与书写在后面的操作。
  • 管程锁定规则：一个unlock操作先行发生与后面一个对同一个锁的lock操作。
  • volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。
  • 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
  • 线程终止规则：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测。
  • 线程中断规则：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。
  • 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize()方法的开始
  • 传递性：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A先行发生于操作C的结论。