Java内存模型

主内存与工作内存

Java内存模型主要目标：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编程中的变量略有区别，它包括实例变量/静态字段和构成数组对象的元素，不包括局部变量和方法参数（线程私有）。为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和主内存进行交换，也没有限制即时编译器调整代码执行顺序这类权利。

Java内存模型规定所有变量都存储在主存（Main Memory）中（虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory），线程的工作内存保存了被线程使用到的变量的主内存副本拷贝，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存来完成。

这里的主内存/工作内存与Java内存区域中的Java栈/堆/方法区并不是同一个层次的内存划分。如果两者一定要勉强对应起来，那从变量/主内存/工作内存的定义来看，主内存主要对应于Java堆中对象的实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低的层次来说，主存就是硬件的内存，而为获取更好的运算速度，虚拟机及硬件系统可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存。

内存间交互操作
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、从工作内存同步回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成：
Lock（锁定）：作用于主内存的变量，将主内存该变量标记成当前线程私有的，其他线程无法访问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，把一个处于锁定状态的变量释放出来，才能被其他线程锁定。
Read（读取）：作用于主内存的变量，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（加载）：作用于工作内存中的变量，把read操作从内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
Use（使用）：作用于工作内存中的变量，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到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
Assgin（赋值）：作用于工作内存中的变量，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（存储）：作用于工作内存中的变量，把工作内存中一个变量的值传递到主内存中，以便随后的write操作使用。
Write（写入）：作用于主内存中的变量，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。
如果把一个变量从主内存复制到工作内存，按顺序执行read和load操作；如果把变量从工作内存同步回主内存，按顺序执行store和write操作。

Java内存模型还规定在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：
1.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受，或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况。
2.不允许一个线程丢弃它的最近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。
3.不允许一个线程无原因的（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。
4.一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，就是对一个变量执行use和store之前必须先执行过了assign和load操作。
5.一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，变量才会被解锁。
6.如果对一个变量执行lock操作，僵尸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。
7.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住的变量。
8.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）。

对于volatile型变量的特殊规则
关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。
当一个变量被定义成volatile后，它将具备两种特性：
第一是保证对所有线程的可见性，“可见性”指当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。
关于volatile变量的可见性的误解：“volatile变量对所有线程立即可见的，对volatile变量所有的写操作都能立刻反映到其他线程中，换句话说，volatile变量在各个线程中是一致的，所以基于volatile变量的运算在并发下是安全的”。这句话的论据部分并没有错，但是其论据并不能得出“基于volatile变量的运算在并发下是安全的”这个结论。
volatile变量在各个线程中的工作内存中不存在一致性问题（在各个线程的工作内存中volatile变量也可以存在不一致的情况，但由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看不到不一致的情况，因此可以认为不存在不一致问题），但是Java里面的运算并非原子操作，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。
注意：由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁（使用synchronized或java.util.concurrent中的原子类）来保证原子性：
1）运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。
2）变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。
使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”（WithinThread As-If-Serial Semantics）。