Java 內(nèi)存模型(Java Memory Model，簡(jiǎn)稱 JMM)是一種抽象的概念，并不真實(shí)存在，它描述的是一組規(guī)范或者規(guī)則，通過(guò)這種規(guī)范定義了程序中各個(gè)變量(包括實(shí)例字段、靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素)的訪問(wèn)方式。

JMM 中的主內(nèi)存和工作內(nèi)存

由于代碼運(yùn)行的實(shí)體是線程，而 JVM 會(huì)為每一個(gè)線程創(chuàng)建一個(gè)工作內(nèi)存(有些資料稱為?？臻g)，用于存儲(chǔ)線程私有的數(shù)據(jù)。而 Java 內(nèi)存模型規(guī)定所有變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中。主內(nèi)存是共享內(nèi)存區(qū)域，所有線程都可以訪問(wèn)。但是線程不能直接操作主內(nèi)存中的變量，線程對(duì)變量的讀取和修改等操作必須在自己的工作內(nèi)存中進(jìn)行，首先從主內(nèi)存中把變量拷貝到線程私有的工作內(nèi)存，對(duì)變量進(jìn)行操作后，再將變量寫(xiě)回主內(nèi)存。線程之間的傳值必須通過(guò)主內(nèi)存完成。
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JMM 中的主內(nèi)存

JMM 中的主內(nèi)存存儲(chǔ) Java 實(shí)例對(duì)象，包括成員變量、類信息、常量、靜態(tài)變量等。主內(nèi)存屬于數(shù)據(jù)共享區(qū)域，多線程并發(fā)操作時(shí)會(huì)引發(fā)線程安全問(wèn)題

JMM 中的工作內(nèi)存

• 存儲(chǔ)當(dāng)前方法的所有本地變量信息，每個(gè)線程只能訪問(wèn)自己的工作內(nèi)存，每個(gè)線程工作內(nèi)存的本地變量對(duì)其他線程不可見(jiàn)
• 字節(jié)碼行號(hào)指示器、Native 方法等信息
• 屬于線程私有數(shù)據(jù)區(qū)域，不存在線程安全問(wèn)題

JMM 與 Java 內(nèi)存區(qū)域的劃分是不同的概念層次

JMM 描述的是一組規(guī)則，通過(guò)這組規(guī)則控制程序中各個(gè)變量在主內(nèi)存和工作內(nèi)存訪問(wèn)方式，圍繞原子性、有序性、可見(jiàn)性展開(kāi)。

JMM 與 Java 內(nèi)存區(qū)域劃分的相似點(diǎn)是都存在共享區(qū)域和私有區(qū)域。
JMM 中的主內(nèi)存屬于共享數(shù)據(jù)區(qū)域，應(yīng)該包括
Java 內(nèi)存區(qū)域中的堆和方法區(qū)；JMM 中的工作內(nèi)存屬于私有數(shù)據(jù)區(qū)域，應(yīng)該包括
Java 內(nèi)存區(qū)域中的程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧和本地方法棧。

主內(nèi)存與工作內(nèi)存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型以及操作方式歸納

• 對(duì)于實(shí)例對(duì)象中的成員方法，方法里的基本數(shù)據(jù)類型的局部變量將直接存儲(chǔ)在工作內(nèi)存的棧幀結(jié)構(gòu)中。方法里引用類型的局部變量的引用在工作內(nèi)存中的棧幀結(jié)構(gòu)中，對(duì)象實(shí)例存儲(chǔ)在主內(nèi)存(堆)中。
• 對(duì)于實(shí)例數(shù)據(jù)的成員變量、靜態(tài)變量、類信息都會(huì)被存儲(chǔ)在主內(nèi)存中
• 需要注意的是，在主內(nèi)存中的實(shí)例對(duì)象可以被多個(gè)線程共享，如果兩個(gè)線程調(diào)用了同一個(gè)對(duì)象的同一個(gè)方法，兩個(gè)線程會(huì)將數(shù)據(jù)拷貝到自己的工作內(nèi)存中，執(zhí)行完成后刷新回主內(nèi)存。

JMM 如何解決可見(jiàn)性問(wèn)題

忽略硬件中其他復(fù)雜的因素，上面的主內(nèi)存與工作內(nèi)存執(zhí)行方式可以理解為
把數(shù)據(jù)從內(nèi)存加載到CPU 的寄存器，操作完成之后再寫(xiě)回主內(nèi)存。在現(xiàn)代多核 CPU 的情況下，線程共享變量就有可能出現(xiàn)不一致，如果運(yùn)行在 CPU A 上的線程對(duì)某個(gè)變量進(jìn)行了修改，而運(yùn)行在其他 CPU 運(yùn)行的線程加載的是 CPU 緩存中的舊狀態(tài)，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致。
在執(zhí)行程序時(shí)，為了提高性能，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令重排序，但是指令重排序只能保證單線程的語(yǔ)義一致性，不能保證多線程下的語(yǔ)義一致性。多線程共享引入了復(fù)雜的數(shù)據(jù)依賴性，不管編譯器和處理器如何對(duì)指令重排序，都必須遵從數(shù)據(jù)的依賴性要求

指令重排序需要滿足的條件

• 在單線程環(huán)境下不能改變程序運(yùn)行的結(jié)果
• 存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系指令不允許重排序
  上面兩個(gè)條件可以歸結(jié)為一點(diǎn)：無(wú)法通過(guò) happens-before 原則推導(dǎo)出來(lái)的，才能進(jìn)行指令重排序

happens-before 的八大原則

• 程序次序規(guī)則：一個(gè)線程內(nèi)，按照代碼順序，書(shū)寫(xiě)在前面的操作先行發(fā)生于書(shū)寫(xiě)在后面的規(guī)則。這個(gè)規(guī)則只對(duì)單線程有效。
• 鎖定規(guī)則：一個(gè) unlock 操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖的 lock 操作
• volatile 變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)變量的寫(xiě)操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作。這個(gè)規(guī)則保證了多線程共享變量的可見(jiàn)性
• 傳遞規(guī)則：如果操作 A 先行發(fā)生于 操作 B，而操作 B 又先行發(fā)生于操作 C，那么操作 A 先行發(fā)生于操作 C
• 線程啟動(dòng)規(guī)則：Thread 對(duì)象的 start() 方法先行發(fā)生于此線程的每一個(gè)動(dòng)作
• 線程中斷規(guī)則：對(duì)線程 interrupted() 方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生
• 線程終結(jié)規(guī)則：線程中的所有操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測(cè)，我們可以通過(guò) Thread.join()、Thread.isAlive() 返回值手段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行
• 對(duì)象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成先行發(fā)生于該對(duì)象的 finalize() 方法的開(kāi)始

如果兩個(gè)操作不滿足上述任意一個(gè) happens-before 規(guī)則，那么這兩個(gè)操作就沒(méi)有順序的保障，JVM 可以對(duì)這兩個(gè)操作進(jìn)行重排序。
如果操作 A happens-before 操作 B，那么操作 A 在內(nèi)存上所做的操作對(duì) B 是可見(jiàn)的
happens-before 原則非常重要，它是判斷線程是否安全、數(shù)據(jù)是否存在競(jìng)爭(zhēng)的主要依據(jù)。
下面是一個(gè)分析例子：

private int value=0;
//線程 A 執(zhí)行該方法
public void write(int input){
    value=input;
}

//線程 B 執(zhí)行該方法
public int read(){
    return value;
}

線程 A 執(zhí)行 write() 方法給 value 賦值，線程 B 執(zhí)行 read() 方法讀取 value 的值。
但是這段代碼不滿足 happens-before 的八大原則，無(wú)法保證線程 A 執(zhí)行的結(jié)果對(duì)線程 B 是可見(jiàn)的。我們可以通過(guò)兩個(gè)辦法解決這個(gè)線程安全問(wèn)題。

• 給 value 變量加上 volatile 關(guān)鍵字修飾，此時(shí)滿足 happens-before 八大原則中的 volatile 變量規(guī)則
• 或者給 read() 和 write() 方法加上 synchronized 關(guān)鍵字，此時(shí)滿足 happens-before 八大原則中的鎖定規(guī)則

happens-before 的實(shí)現(xiàn)是依賴于內(nèi)存屏障，通過(guò)禁止某些指令重排序保證內(nèi)存可見(jiàn)性。

volatile 在并發(fā)編程中很常見(jiàn)，下面來(lái)談?wù)?volatile 的內(nèi)存語(yǔ)義是如何實(shí)現(xiàn)共享變量在多線程中的可見(jiàn)性的。

volatile 是 JVM 提供的輕量級(jí)同步機(jī)制，由如下兩個(gè)作用：

• 保證被 volatile 修飾的共享變量對(duì)所有線程總是可見(jiàn)的，當(dāng)一個(gè)線程修改了被 volatile 修飾的變量，其他線程可以立即感知到這個(gè)修改
• 禁止指令的重排序優(yōu)化

雖然對(duì) volatile 變量的寫(xiě)操作總是能立即反映到其他線程中，但是如果對(duì) volatile 變量的運(yùn)算操作不是原子性的，那么在多線程環(huán)境中不能保證安全性，下面是一個(gè)例子：

public class VolatileVisibility {
    public static volatile int value=0;
    public static void increase(){
        value++;
    }
}

在上面的代碼中，value 變量被 volatile 修飾，對(duì) value 變量的改變會(huì)立刻反映到其他線程中。但是如果多條線程同時(shí)調(diào)用 increase() 方法時(shí)，還是會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題，因?yàn)?code>value++這個(gè)操作并不具備原子性。
我們可以使用javap指令來(lái)查看上面increase()方法的字節(jié)碼，如下：

  public static void increase();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=0, args_size=0
         0: getstatic     #2                  // Field value:I
         3: iconst_1
         4: iadd
         5: putstatic     #2                  // Field value:I
         8: return

可以看到value++在字節(jié)碼層面是如下步驟：

• 先通過(guò)getstatic指令把value的值拷貝到操作數(shù)棧頂
• iconst_1指令把 1 壓入操作數(shù)棧頂，
• iadd指令把棧頂?shù)膬蓚€(gè)數(shù)相加
• putstatic指令把相加后的結(jié)果寫(xiě)回 value 變量中。

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上述的操作不是原子性的，如果兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行increase()方法，預(yù)料中的結(jié)果應(yīng)該是value+2。一個(gè)線程把value讀入到了自己的操作數(shù)棧中，但是還沒(méi)執(zhí)行 +1 操作，此時(shí)另一個(gè)線程也讀取了value到自己的操作數(shù)棧中進(jìn)行 +1 操作，最終兩個(gè)線程返回的結(jié)果都是value+1，引發(fā)了線程安全的問(wèn)題。因此必須使用synchronized修飾increase()方法保證線程安全，使得先獲得鎖的線程的操作happens-before于隨后獲得這個(gè)鎖的線程的操作。而且由于synchronized也可以保證操作的可見(jiàn)性，這時(shí)可以不用volatile修飾value變量。

volatile 的可見(jiàn)性

如果對(duì)volatile變量的運(yùn)算操作是原子性的。那么就可以保證該變量的線程安全，下面是一個(gè)例子

public class VolatileSafe {
    private volatile boolean shutDown;
    public void close() {
        shutDown=true;
    }

    public void doWork(){
        while (!shutDown){
            System.out.println("safe...");
        }
    }
}

在這個(gè)例子中，對(duì)boolean變量的修改是原子性的，因此對(duì)這個(gè)變量的修改對(duì)其他線程立即可見(jiàn)，保證了線程安全。

對(duì) volatile 變量的修改為什么可以做到立即可見(jiàn)？

• 當(dāng)寫(xiě)一個(gè) volatile 變量時(shí)，JMM 會(huì)把對(duì)該線程對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存中
• 當(dāng)讀取一個(gè) volatile 變量時(shí)，JMM 會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)存置為無(wú)效，使得線程只能從主內(nèi)存中重新讀取共享變量

volatile 是通過(guò)內(nèi)存屏障來(lái)禁止指令重排序優(yōu)化的。
內(nèi)存屏障的作用有以下兩點(diǎn)：

• 通過(guò)插入內(nèi)存屏障(Memory Barrier)指令禁止對(duì)內(nèi)存屏障前后的指令執(zhí)行重排序優(yōu)化，保證特定操作的執(zhí)行順序
• 強(qiáng)制刷出各種 CPU 的緩存數(shù)據(jù)，因此在任何 CPU 上都能看到這些數(shù)據(jù)的最新版本，保證某些變量的內(nèi)存可見(jiàn)性

下面來(lái)分析一個(gè)帶有隱患的常見(jiàn)的單例寫(xiě)法：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        //第一次檢測(cè)
        if (instance == null) {
            //同步
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

一個(gè)對(duì)象的初始化不是原子性的操作，可以分為 3 步：

• 1.分配內(nèi)存空間
• 2.初始化對(duì)象
• 3.設(shè)置 instance 指向分配對(duì)象的內(nèi)存地址

上述流程可能經(jīng)過(guò)重排序。變?yōu)槿缦马樞颍?/p>

• 1.分配內(nèi)存空間
• 2.設(shè)置 instance 指向分配對(duì)象的內(nèi)存地址，但是對(duì)象還沒(méi)初始化，但此時(shí) instance ！= null
• 3.初始化對(duì)象

我們假設(shè)線程 A 先執(zhí)行 getInstance() 方法，當(dāng)執(zhí)行完指令 2 時(shí)恰好發(fā)生了線程切換，切換到了線程 B 上；如果此時(shí)線程 B 也執(zhí)行 getInstance() 方法，那么線程 B 在執(zhí)行第一個(gè)判斷時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn) instance != null，所以直接返回 instance，而此時(shí)的 instance 是沒(méi)有初始化過(guò)的，如果我們這個(gè)時(shí)候訪問(wèn) instance 的成員變量就可能觸發(fā)空指針異常。
解決方法是使用volatile修飾instance變量，禁止指令重排序即可。

volatile和synchronized的區(qū)別

• volatile 本質(zhì)是在告訴 JVM 當(dāng)前變量在寄存器(工作內(nèi)存)中的值是不確定的，需要從主存中讀取；synchronized 這是鎖定當(dāng)前變量，只有當(dāng)前線程可以訪問(wèn)該變量，其他線程被阻塞住，直到該線程完成變量操作為止。
• volatile 僅能用在變量級(jí)別；synchronized 則可以用在變量、方法和類級(jí)別
• volatile 僅能實(shí)現(xiàn)變量的修改可見(jiàn)性，不能保證原子性；而 synchronized 則可以保證變量修改的可見(jiàn)性和原子性
• volatile 不會(huì)造成線程的阻塞；synchronized 可能會(huì)造成線程的阻塞
• volatile 標(biāo)記的變量不會(huì)被編譯器優(yōu)化；synchronized 標(biāo)記的變量可能會(huì)被編譯器優(yōu)化

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