本文章讲解的内容是Java内存模型。

在讲解Java内存模型之前，我先聊下硬件的效率和一致性。

硬件的效率和一致性

我们先了解下物理计算机中的并发问题，物理计算机遇到并发问题与虚拟机中的情况有不少相似之处，物理计算机对并发的处理方案对于虚拟机的实现也有相当大的参考意义。

“让计算机并发执行若干个运算任务”与“更充分地利用计算机处理器的效能”之间的因果关系，看起来顺理成章，实际上它们之间的关系并没有想象中的那么简单，其中一个重要的复杂性来源是绝大多数的运算任务都不可能只靠处理器“计算”就能完成，处理器至少要与内存交互，例如：读取运算数据、存储运算结果等，这个I/O操作是很难消除的（无法仅靠寄存器来完成所有运算任务）。由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距，所以现代计算机系统不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。

基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也为计算机系统带来更高的复杂度，因为它引入了一个新的问题：缓存一致性（Cache Coherence）。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存（Main Memory），如下图所示：

TheInteractionBetweenProcessorCacheAndMainMemory.jpg

当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致，如果真的发生这种情况，那同步回到主内存时以谁的缓存数据为准呢？为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时根据协议来进行操作，这类协议有MSI、MESI（Illinois Protocol）、MOSI、Synapse、Firefly和Dragon Protocol等。

内存模型可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。不同架构的物理机器可以拥有不一样的内存模型，而Java虚拟机也有自己的内存模型，并且这里介绍的内存访问操作与硬件的缓存访问操作具有很高的可比性。

除了增加高速缓存之外，为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行（Out-Of-Order Execution）优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但不保证程序中的各个语句计算的先后顺序与输入代码的顺序一致，因此，如果存在一个计算任务依赖另一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序（Instruction Reorder）优化。

Java内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model，JMM）来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内存访问效果。在此之前，主流程序语言（例如：C和C++等）直接使用物理硬件和操作系统的内存模型，因此，会由于不同平台上内存模型差异，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发访问却经常出错，因此在某些场景就必须针对不同的平台来编写程序。

Java内存模型必须定义得足够严谨，才能让Java的并发内存访问操作不会产生歧义，但是也必须定义得足够宽松，使得虚拟机的实现有足够的自由空间利用硬件的各种特性（寄存器、高速缓存和指令集中某些特有的指令）来获取更好的执行速度。经过长时间的验证和修补，在JDK 1.5（实现了JSR-133）发布后，Java内存模型已经成熟和完善起来了。

主内存和工作内存

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，也就是在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量的底层细节，这里说的变量（Variables）与Java编程中所说的变量有所区别，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和方法参数，因为后者是线程私有的（要注意的是，如果局部变量是一个reference类型，它引用的对象在Java堆中可以被各个线程共享，但是reference本身是在Java栈的局部变量表中，它是线程私有的），不会被共享，自然就不会存在竞争问题。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和主内存进行交互，也没有限制即时编译器进行调整代码执行顺序这类优化措施。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中（这里的主内存和前面提到的物理硬件的主内存名字一样，两者是可以类比的，但是这里的主内存仅仅是虚拟机内存的一部分）。每条线程都有自己的工作内存（Working Memory）（可以和前面提到的高速缓存类比），线程的工作内存保存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝（假设线程中访问一个10MB的对象，也会把这10MB的内存复制一份拷贝出来吗？事实上并不会如此，这个对象的引用、对象中某个在线程访问到的字段是有可能存在拷贝的，但是不会有虚拟机实现成把整个对象拷贝一次），线程对变量的所有操作（读取和赋值等）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，要注意的是，根据Java虚拟机规范的规定，volatile变量依然有工作内存的拷贝，但是由于它特殊的操作顺序性规定，所以看起来如同直接在主内存中读写访问一般，因此这里的描述同样适用于volatile。不同的线程之间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需要通过主内存来完成，它们之间的关系如下图所示：

ThreadMainMemoryWorkingMemoryInteraction.jpg

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，Java内存模型中定义了以下八种操作来完成，虚拟机实现时必须保证这些操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外）：

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成独占的状态。
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入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到变量的值的字节码指令时执行这个操作。
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，就要顺序地执行read操作和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行store操作和write操作，要注意的是，Java内存模型只要上述两个操作必须按顺序执行，而没有保证是连续执行，也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的，例如：对主内存中的变量a和变量b进行访问时，一种可能出现的顺序如下所示：

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八种基本操作时必须满足以下规则：

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受，或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
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变化同步回主内存中。
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或者assign）的变量，换句话说，就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但是lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只能执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
如果对一个变量执行lock操作，那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或者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，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。
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（执行store、write操作）。

这八种内存访问和上述规则限定，再加上对volatile的一些特殊规定，就已经完全确定了Java程序中哪些内存访问操作在并发下是安全的。由于这种定义相当严谨，但是又十分繁琐，实践起来很麻烦，所以后面会讲解这种定义的一个等效判断原则——先行发生原则，用来确定一个访问在并发环境下是否安全。

对于long和double型变量的特殊规则

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这八种操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型（long和double），在模型中特别定义了一条相对宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这四种操作的原子性，这个就是long和double的非原子性协定（Nonatomic Treatment of double and long Variables）。

如果有多个线程共享一个并未声明为volatile的long或者double类型的变量，并且同时对它们进行读取和修改操作，那么某些线程可能会读取到一个既非原值，也不是其他线程修改值的代表了“半个变量”的数值。

不过这种读取到“半个变量”的情况非常罕见（在目前商用Java虚拟机中不会出现），因为Java内存模型虽然允许虚拟机不把long和double变量的读写实现成原子操作，但是允许虚拟机选择把这些操作实现为具有原子性的操作，而且还强烈建议虚拟机这样实现。在实际开发中，目前各种平台下的商用虚拟机几乎都选择把64位数据的读写操作作为原子操作来对待，因此我们在编写代码时一般不需要把用到的long和double变量专门声明为volatile。

原子性、可见性和有序性

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的，我们逐个来看一下哪些操作实现了这三个特性：

原子性（Atomicity）：由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write，我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的（例外就是long和double的非原子性协定，不过我们只要知道这件事情就可以了，无须太过在意这些几乎不会发生的例外情况）。

如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证（经常会遇到），Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。
可见性（Visibility）：可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得到这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是：volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新，因此，可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。

除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，即synchronized和final。
- sychronized关键字：同步块的可见性是由“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（执行store、write操作）”这条规则获得的。
- final关键字：final关键字的可见性是指被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成，并且构造器没有把this的引用传递出去（this引用逃逸是一件很危险的事情，其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化一半”的对象），那在其他线程中就能看见final字段的值。
有序性（Ordering）：Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行的语义（Within-Thread As-If-Serial Semantics），后半句是指指令重排序现象和工作内存与主内存同步延迟现象。

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，volatile关键字本身就包含禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由”一个变量在同一时刻只允许一条线程对其执行lock操作，但是lock操作可以被同一个线程执行多次，多次执行lock后，只能执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁“这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

先行发生原则

Java语言有一个先行发生（happens-before）原则，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，依靠这个原则，我们可以通过几条规则一揽子地解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题。

先行发生是Java内存模型中定义两项操作之间的偏序关系，如果说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，这里的说的影响包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。我们举个例子，伪代码如下所示：

// 以下操作在线程A中执行
i = 1;
// 以下操作在线程B中执行
j = i;
// 以下操作在线程C中执行
i = 2;

假设线程A的中的操作i = 1先行发生于线程B的操作j = i，那么可以确定在线程B的操作执行后，变量j的值一定等于1，得到这个结论的依据有两个：一是根据先行发生原则，i = 1的结果是可以被观察到的，二是线程A操作结束后没有其他线程会修改变量i的值。现在我们再来考虑线程C，我们依然保持线程A和线程B之间的先行发生关系，而线程C出现在线程A和线程B的操作之间,但是线程C与线程B之间没有先行发生关系，那么j的值会是怎样呢？答案是不确定，1和2都有可能，因为线程C对变量i的影响可能会被线程B观察到，也可能不会，这时候线程B就存在读取到过期数据的风险，不具备多线程安全性。

Java内存模型的一些天然的先行发生关系，如下所示：

程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说，应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支。循环等结构。
管程锁定规则（Monitor Lock Rule）：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁，而”后面“是指时间上的先后顺序。
volatile变量规则（Volatile Variable Rule）：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，这里的”后面“是指时间上的先后顺序。
线程启动规则（Thread Start Rule）：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（Thread Termination Rule）：线程中的所有操作都先行于发生于对此线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
对象终结规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize()方法的开始。
传递性（Transitivity）：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来的话，它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序。

下面举个例子，代码如下所示：

private int value = 0;

public int getValue() {
    return value;
}

public void setValue(int value) {
    this.value = value;
}

假设存在线程A和线程B，线程A先调用了setValue(1)，这里的”先“是指时间上的先后，然后线程B调用了同一个对象的getValue()方法，那么线程B中的这个方法的返回结果是什么呢?

根据先行发生规则，由于两个方法分别由线程A和线程B调用，不在同一个线程，所以程序次序规则不适用；由于没有同步块，也就不会发生lock操作和unlock操作，管程锁定规则也不适用；由于变量value没有被volatile关键字修饰，volatile变量规则也不适用；后面的规则也和这里没有关系，因此，可以判定虽然线程A在操作时间上先于线程B，但是无法确定线程B中的getValue()方法的返回结果，也就是这里的操作都不是线程安全的。

有两个方案可以修复这个问题，保证其先行发生关系：

把getValue()方法和setValue()方法都定义成synchronized方法，这样就可以套用管程锁定规则。
将变量value定义为volatile变量，这样就可以套用volatile变量规则。

通过上面的例子，可以得出结论：一个操作”时间上的先发生“不代表这个操作会是”先行发生“。那如果一个操作先行发生是否可以推导出这个操作必定是”时间上的先发生”呢？答案是推论不成立，一个典型的例子就是指令重排序，下面举个例子，代码如下所示：

// 以下操作在同一个线程中执行
int i = 1;
int j = 2;

根据先行发生原则，这两个操作都在同一个线程中执行，适用程序次序规则，也就是int i = 1先行发生于int j = 2，但是int j = 2的代码完全可能先被处理器执行，这并不影响先行发生原则的正确性，因为我们在这条线程中无法感知到这点。

根据上面两个例子，得出结论：时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系，所以衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。

参考文献：

[1] 周志明，深入理解Java虚拟机（第2版）[M]，机械工业出版社，2013年9月1日，361页~378页

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