物理計算機并發問題

在介紹Java內存模型之前，先簡單了解下物理計算機中的并發問題。由于處理器的與存儲設置的運算速度有幾個數量級的差距，所以現代計算機加入一層讀寫速度盡可能接近處理器的高速緩存來作為內存與處理器之間的緩沖：將運算需要使用到的數據復制到緩存中，讓運算能快速進行，當運算結束后再從緩存同步回內存中，這樣處理器就無須等待緩慢的內存讀寫了。

基于高速緩存的存儲交互引入一個新的問題：緩存一致性。在多處理器系統中，每個處理器都有自己的高速緩存，而它們又共享同一主存，如圖2-1所示

當多個處理器的運算任務都涉及同一塊內存區域時，將可能導致各自的緩存數據不一致，此時，同步回主內時以誰的緩存數據為準。為了解決一致性問題，需要各個處理器訪問緩存時都遵循一些協議，在讀寫時要根據協議來進行操作。

除了增加高速緩存外，為了使處理器內部的運算單元能夠充分被利用，處理器可能對輸入代碼進行亂序執行優化，處理器會在計算之后將亂序執行的結果重組，保證與順序執行的結果一致，但并不保證程序中各個語句計算的先后順序與輸入代碼中的一致，因此，如果存在一個計算任務依賴另一個計算任務的中間結果，那么其順序性并不能靠代碼的先后順序來保證。

Java 內存模型

主內存與工作內存

Java內存模型規定了所有變量都存儲在主內存中(此處主內存與物理計算機的主內存名字一樣，可以類比，但此處僅是虛擬機內存的一部分)，這里的變量包括實例字段，靜態字段和構成數組對象的元素，但不包括局部變量和方法參數，因為后者是線程私用的。每個線程還有自己的工作內存(可與處理器的高速緩存類比)，線程的工作內存中保存了被該線程使用到的變量的主內存副本拷貝，線程對變量的所有操作(讀寫等)都必須在工作內存中，不能直接讀寫主內存中的變量。不同的線程之間也不能直接訪問對方工作內存中的變量，線程間的變量值的傳遞必須通過主內存來完成。 線程、主內存、工作內存三者的交互關系如圖2-2

內存間交互操作

Java內存模型定義了8種操作來完成一個變量如何從主內存拷貝到工作內存，如何從工作內存同步回主內存的實現細節。虛擬機在實現時必須保證每一種操作都是原子的，不可再分的(double和long類變量允許例外)。

• lock(鎖定) : 作用于主內存的變量，把一個變量標識為一個線程獨占的狀態。
• unlock(解鎖)：作用于主內存的變量，把一個處于鎖定狀態的變量解鎖，解鎖后的變量才可以被其他線程鎖定。
• read(讀取) : 作用于主內存的變量，把一個變量的值從主內存傳輸到線程的工作內存，以便隨后的load動作使用。
• load(載入)：作用于主內存的變量，把read操作從主內存中得到的變量值放入工作內存的變量副本中。
• use(使用)：作用于工作內存的變量，把工作內存中一個變量的值傳遞給執行引擎，每當虛擬機遇到一個需要使用的變量的值的字節碼指令時將會執行這個操作。
• assign(賦值)：作用于工作內存變量，把一個從執行引擎接收到的值賦給工作內存的變量，每當虛擬機遇到一個變量賦值的字節碼指令時執行這個操作。
• store(存儲)：作用于工作內存變量，把工作內存中一個變量的值傳遞到主內存中，以便隨后的write操作使用。
• write(寫入)：作用于主內存變量，把store操作從工作內存中得到的變量值放入主內存的變量中。

Java內存模型規定了在執行上述8種基本操作時必須滿足如下規則：

• read 和load ，store和write 必須成對操作
• 不允許線程丟棄assign操作，變量在工作內存中改變后必須把該變化同步回主內存
• 沒有assign操作，不允許變量從工作內存同步回主內存
• 新變量只能在主內存中誕生，不允許在工作內存中直接使用一個未被初始化的變量(load或assign)，即對一個變量實時use和store之前必須先執行過assign和load操作
• 一個變量同一時刻只允許一條線程lock操作，但lock操作可以多次，執行相同數量的unlock，變量才會解鎖
• lock操作會清空工作內存副本，執行引擎使用前，需要重新執行load或者assign操作初始化變量的值
• 沒有lock操作，就不允許unlock操作。不允許unlock另一個線程變量。
• unlock操作前必須先store，write操作，同步回主內存中。