《深入解析Android 虚拟机》——2.6 Java内存模型

本节书摘来自异步社区《深入解析Android 虚拟机》一书中的第2章，第2.6节，作者：钟世礼著，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

2.6 Java内存模型

不同的平台，内存模型是不一样的，但是JVM的内存模型规范是统一的。其实Java的多线程并发问题最终都会反映在Java内存模型上，所谓线程安全无非是要控制多个线程对某个资源的有序访问或修改。总结Java的内存模型，要解决两个主要的问题：可见性和有序性。

人们都知道计算机有高速缓存的存在，处理器并不是每次处理数据都是取内存的。JVM定义了自己的内存模型，屏蔽了底层平台内存管理细节，对于Java开发人员，要清楚在JVM内存模型的基础上，如果解决多线程的可见性和有序性。

那么，何谓可见性？多个线程之间是不能互相传递数据通信的，它们之间的沟通只能通过共享变量来进行。Java内存模型（JMM）规定了JVM有主内存，主内存是多个线程共享的。当新建一个对象的时候，也是被分配在主内存中，每个线程都有自己的工作内存，工作内存存储了主存的某些对象的副本，当然线程的工作内存大小是有限制的。当线程操作某个对象时，执行顺序如下。

（1）从主存复制变量到当前工作内存（read and load）。

（2）执行代码，改变共享变量值（use and assign）。

（3）用工作内存数据刷新主存相关内容（store and write）。

2.6.1 Java内存模型概述
Java平台自动集成了线程以及多处理器技术，这种集成程度比Java以前诞生的计算机语言要厉害很多。该语言针对多种异构平台的平台独立性而使用的多线程技术支持也是具有开拓性的一面，有时候在开发Java同步和线程安全要求很严格的程序时，往往容易混淆的一个概念就是内存模型。究竟什么是内存模型？内存模型描述了程序中各个变量（实例域、静态域和数组元素）之间的关系，以及在实际计算机系统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，对象最终是存储在内存里面的，这点没有错，但是编译器、运行库、处理器或者系统缓存可以有特权在变量指定内存位置存储或者取出变量的值。

JVM规范定义了线程对主存的操作指令：read、load、use、assign、store、write。当一个共享变量在多个线程的工作内存中都有副本时，如果一个线程修改了这个共享变量，那么其他线程应该能够看到这个被修改后的值，这就是多线程的可见性问题。那么，什么是有序性呢？线程在引用变量时不能直接从主内存中引用，如果线程工作内存中没有该变量，则会从主内存中复制一个副本到工作内存中，这个过程为read-load，完成后线程会引用该副本。当同一线程再度引用该字段时，有可能重新从主存中获取变量副本（read-load-use），也有可能直接引用原来的副本（use），也就是说read、load、use顺序可以由JVM实现系统决定。

2.6.2 主内存与工作内存
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（Variable）与Java编程中所说的变量略有区别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是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与主内存进行交互，也没有限制即时编译器调整代码执行顺序这类权利。

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，可与前面所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复制，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图2-13所示。

2.6.3 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，在Java内存模型中定义了以下8种操作来完成内存间的交互操作。

• 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人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，那就要按顺序地执行read和load操作；如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要按顺序地执行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，而没有保证必须是连续执行。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收，或者从工作内存发起回写操作但主内存不接收的情况出现。
• 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和store操作之前，必须先执行过了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操作时才会解锁变量。
• 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。
• 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被其他线程锁定住的变量。
• 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和write操作）。