一、Java内存模型 == JVM内存模型？

  很多人都会认为Java内存模型就是JVM内存模型，但实际上是错的，Java内存模型是一个抽象的概念，描述了Java语言的一组规则和规范，JVM实际上也不仅仅支持运行Java代码，还支持很多能在JVM上运行的语言如JRuby、Scale等，这是因为JRuby、Scale也有自己的语言规范，只要编译出来的字节码符合《Java虚拟机规范》，就可以在JVM上运行。

  JVM不关心代码是用哪种编程语言写的，只要编译出来的指令码符合JVM规范，那么就可以在JVM上运行，所有语言在JVM上的内存的结构都是一样的，JVM上的内存模型图如下。

  在JVM中，所有实例域、静态域和数组元素存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享。局部变量、方法定义参数和异常处理器参数不会在线程之间共享，它们不会有内存可见性问题，也不会收内存模型的影响。

二、Java内存模型基础

  在并发编程中，需要处理的两个关键问题是：线程之前如何通信和线程之间如何同步。

1、通信

  通信是指线程之间以何种机制来交换信息。在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种：共享内存和消息传递。

  在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信。
  在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信。

2、同步

  同步是指程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。在共享内存的并发模型里，同步是显式进行的，程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行；在消息传递的并发模型里，由于消息的发送必须在消息的接收之前，因此同步是隐式进行的。

  Java的并发采用的是共享内存模型，Java线程之间的通信总是隐式进行，整个通信过程对程序员完全透明。

3、Java内存模型的抽象

  Java线程之间的通信由Java内存模型（JMM）控制。JMM决定了一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程与主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存中，每一个线程都有一个自己私有的本地内存，本地内存中存储了该变量以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在，只是为了帮助理解。

JMM抽象示意图

步骤示意图

4、重排序

  在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序，重排序分三类：

（1）编译器优化的重排序
  编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

（2）指令级并行的重排序
  现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应及其指令的执行顺序。

（3）内存系统的重排序
  由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

  从Java源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序：

  对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（即可能导致程序可见性问题的重排序要禁止，但是不会禁止能优化程序执行效率并不影响程序执行结果正确性的重排序），如下所示：

  A和B的初始值都是0，对于线程1和线程2来说，重排序都不会影响单线程的执行效果，但是如果两个线程并发操作A、B的值，则运行结果可能不一致，比如重排序前线程2给r1赋值的时候值为0，但是重排序后，赋值这个操作可能在线程1给B赋值1这步之后执行，此时对线程2来说赋值时B的值就是1了，而这种重排序就是JMM规范里要禁止的。

  对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序（同样不是所有的处理器重排序都要禁止）。

  JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。

处理器重排序

  现代的处理器使用写缓冲区来临时保存向内存写入的数据。写缓冲区可以保证指令流水线持续运行，它可以避免由于处理器停顿下来等待向内存写入数据而产生的延迟。同时，通过以批处理的方式刷新写缓冲区，以及合并写缓冲区中对同一内存地址的多次写，可以减少对内存总线的占用。虽然写缓冲区有这么多好处，但每个处理器上的写缓冲区，仅仅对它所在的处理器可见。这个特定会对内存操作的执行顺序产生重要的影响：处理器对内存的读/写操作的执行顺序，不一定与内存实际发生的读/写操作顺序一致。

  从内存操作实际发生的顺序来看，直到处理器A执行A3来刷新自己的写缓存去，写操作A1才算真正执行了。虽然处理器A执行内存操作的顺序为：A1 -> A2，但内存操作实际发生的顺序却是：A2 -> A1。此时，处理器A的内存操作顺序被重排序了。

  这里的关键是，由于写缓冲区仅对自己的处理器可见，它会导致处理器执行内存操作的顺序可能会与内存实际的操作执行顺序不一致。由于现代的处理器都会使用写缓冲区，因此现代处理器都会允许对写-读操作重排序。

内存屏障指令

  为了保证内存可见性，Java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

  处理器提供了两个内存屏障指令：
（1）读内存屏障：在指令前插入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制重新从主内存加载数据，让CPU缓存与主内存保持一致，避免缓存导致的一致性问题。
（2）写内存屏障：在指令后插入Store Barrier，能让写入缓存中的最新数据更新写入主内存，让其他线程可见；当发生这种强制写入主内存的显式调用，CPU就不会处于性能优化考虑进行指令重排。

  程序进行读写时，指令执行顺序可能有：读写，写读，读读，写写，所以JMM把内存屏障指令分为下列四类：

5、多线程编程中常见的问题

  对于新手，多线程编程不是个容易上手的技术，对于经验丰富的老手，还时不时马失前蹄，都会遇到很多问题，正因为这些问题，所以《Java语言规范》要提出一些规则范式来解决这些问题，常见的问题主要有：

• 所见非所得
• 无法用肉眼去检测程序的准确性
• 不同的运行平台有不同的表现
• 错误很难重现

  下面通过一个实例程序体会下这些问题：

public class Demo1Visibility {
    int i = 0;
    boolean isRunning = true;
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Demo1Visibility demo = new Demo1Visibility();
        
        new Thread(new Runnable() {
            
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("hrer i am...");
                while (demo.isRunning) {
                    demo.i++;
                }
                System.out.println(demo.i);
            }
        }).start();
        
        Thread.sleep(3000L);
        demo.isRunning = false;
        System.out.println(demo.i);
        System.out.println("shutdown...");
    }
}

  程序的逻辑很简单，有两个线程：主线程和匿名线程，程序启动时，主线程中会启动匿名线程，接着主线程休眠3秒，由于demo.isRunning的初始值为true，因此匿名线程中的while循环会不断循环，直到主线程休眠结束后，将demo.isRunning的值更新为false，此时匿名线程的while循环会结束，从而打印出demo.i的值。
  但是程序运行后，发现运行结果并不像预料的那样，程序并没有打印出i的值，并且一直处于运行状态，很明显这是因为匿名线程没有感知到demo.isRunning的变化，导致一直循环中，如下所示：

  从上面的示例可以看出，程序运行的结果不一定如我们预料的（所见非所得），在不同版本的JDK下运行有差异（不同的运行平台有不同的表现），使用不同的启动参数-client/-server有不同的效果，无法肉眼检测程序的准确性，而这些问题就是《Java语言规范》提供的Java内存模型所要解决的问题，但是要注意Java内存模型并不会实际解决这些问题，更多的它是一种规范、规则，而JVM会去真正实现这些规则规范。

  对于上面代码，在非32位JDK非-client下，子线程都不能正常退出while循环打印出i的值，我们结合上述讲到的Java内存模型的示意图来分析。

  首先demo是一个对象，对象是存储在堆内存中的，从运行时数据区的示意图可知，堆内存是所有线程共享的区域；程序中有主线程和子线程两个线程，每个线程在运行时JVM都会分配一块线程私有的内存块，我们称之为线程工作区，线程工作区就会存储线程运行中需要的局部变量表、操作数栈、动态链接、返回地址等信息。主线程会修改demo.isRunning的值为false，会将修改内容写入到共享堆内存中，而子线程会去读取堆内存中的demo.isRunning的值，来让程序退出while循环。

  当执行指令时，需要将其加载到CPU中，程序运行中需要存储一些变量，这些变量会保存在RAM内存中，所以线程工作区既分布在CPU也分布在RAM内存中。从[Java多线程编程之四] CPU缓存和内存屏障可知，由于内存读取写入操作的数据远远跟不上CPU运行的速度，所以在CPU和内存中间，有个高速缓存，内存把数据加载到高速缓存中，供CPU读取，当CPU要修改内存时，同样是要先写到高速缓存中，再由高速缓存同步到内存中，高速缓存协议又保证了内存中的数据被修改时同样也会同步到其他线程的高速缓存中，如图所示：

  这里又不得不再次提到上面说到的编译优化重排序，在 [Java多线程编程之一] Java代码是怎么运行起来的？看完这篇你就懂了！中提到Java的解释执行和编译执行，解释执行指JVM在读取字节码执行时，是由执行引擎的解释器逐条将字节码翻译成机器可识别的指令，编译执行则是直接将一段字节码翻译成机器可以识别的指令码。

  说起Java的编译执行就不得不提到JIT编译器（Just In Time Compiler），当Java程序中某个方法不断被调用（比如递归）或者某段代码不断被循环（比如while(true)）时，调用执行的频率达到一定水平就会升级为热点代码，这时启动JIT编译，直接将热点代码编译成机器码放到方法区中，当程序再次执行到这段热点代码时，直接从方法区中取机器指令执行，从而提升程序执行的效率，在JIT编译时，会进行指令重排做性能优化，指令重排不仅仅是对执行指令的重排，程序的逻辑可能也会发生改变，比如上面子线程执行的循环体，可能被优化成下面的形式：

boolean f = demo.isRunning;
if (f) {
    while (true) {
        i++;
    }
}

  这相当于demo.isRunning一开始就被缓存起来了，并且不会再次去读取它的值，这就导致了主线程修改了demo.isRunning时，子线程感受不到，所以一直在循环执行i++，上面提到的运行VM参数-client、-server属于JIT编译的参数，影响指令优化重排的行为，所以在32位JDK下，设置不同的参数会有不同的效果。

  问题的原因找到了，如何解决这个问题？很简单，定义isRunning时用volatile修饰即可，volatile有禁止指令重排的效果，如下所示：

6、Volatile关键字

  上面问题分析写了一堆，最终却出人意料地让一个volatile关键字轻松解决，volatile有什么魔力？

  volatile可以解决多线程环境中共享数据的可见性问题，即一个线程修改了共享变量时，其他线程马上能够感知到这种变化。

举个例子：

public class VolatileTest {
    volatile long a = 1L;       // 使用volatile声明的64位long型
    
    public void set(long l) {   // 单个volatile变量的写
        a = l;
    }
    
    public long get() {         // 单个volatile变量的读
        return a;
    }
    
    public void getAndIncreament() {
        a++;                    // 复合多个volatile变量的读/写                   
    }
}

假设有多个线程分别调用上面程序的三个方法，则这个程序在语义上和下面的程序等价：

public class VolatileTest {
    long a = 1L;        // 64位的long型普通变量
    
    public synchronized void set(long l) {
        a = l;          // 对单个普通变量的写用同一个锁同步
    }
    
    public synchronized long get() {
        return a;
    }
    
    public void getAndIncreament() {
        long temp = get();
        temp += 1L;
        set(temp);
    }
}

  如上面示例程序所示，对一个volatile变量的单个读/写操作，与对一个普通变量的读/写操作使用同一个锁来同步，执行效果是相同的。

  锁的语义决定了临界区代码的执行具有原子性，这意味着不管是什么类型的变量，只要它是volatile变量，对该变量的读写就将具有原子性，但是这种原子性是对单个变量的操作而言的，如果是多个volatile操作或类似于volatile++这种复合操作，则其整体上不具有原子性。

  再回到5、多线程编程中的程序案例，如果对demo.isRunning修饰了volatile，禁止指令重排，JIT不会优化出下面这种形式的代码，程序读写时虽然也用到高速缓存，但是保证了多个线程对同个共享数据的同步可见。

boolean f = demo.isRunning;
if (f) {
    while (true) {
        i++;
    }
}

  总结起来：volatile变量自身具有下列特性：

• 可见性：对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。
• 原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。
  
  

（1）volatile写-读的内存定义

• 当写一个volatile时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到内存。
• 当读一个volatile时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量置为无效，线程接下来将从主内存中读取共享变量。

（2）volatile内存语义的实现

下面是JMM针对编译器制定的volatile重排序规则表：

为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略：

• 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
• 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的前面插入一个LoadLoad屏障。
• 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

下面是保守策略下，volatile写操作插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

volatile写插入内存屏障示意图

下面是保守策略下，volatile读操作插入内存屏障后生成的指令序列示意图：

volatile读插入内存pingzhag

三、Java内存模型中的一些语义和规则

1、as-if-serial语义

  不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），单线程程序的执行结果不能被改变，编译器、runtime和处理器都必须遵循as-if-serial语义，也就是说，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序。

2、Shaerd Variables定义

  可以在线程之间共享的内存称为共享内存或堆内存。所有实例字段、静态字段和数组元素都存储在堆内存中，这些字段和数组都是共享变量。

  多个线程对共享变量的访问操作中，如果至少有一个访问时写操作，那么对同一个变量的两次访问时冲突的，访问顺序的不一样可能导致出现不同的结果。

3、线程间操作的定义

（1）线程间操作指：一个程序执行的操作可被其他线程感知或被其他线程直接影响。
（2）Java内存模型只描述线程间操作，不描述线程内操作，线程内操作按照线程内语义执行。

线程间操作有：

• 普通读
• 普通写
• volatile读
• volatile写
• Lock、Unlock：加锁解锁通常发生在多个线程对共享变量进行操作的同步。
• 线程的第一个和最后一个操作：简单说就是一个线程的启动和终止能被其他线程感知到。
• 外部操作：比如多个线程去访问DB，DB是外部的资源，所以叫外部操作，也是线程间操作。
  
  
  

4、同步规则的定义

（1） 对volatile变量v的写入，与所有其他线程后续对v的读同步
（2） 对于监视器m的解锁与所有后续操作对m的加锁同步

这里有两层语义：一层是加锁解锁操作是不能被重排序的；

另一层含义线程1拿到锁做了一些操作（比如修改了某个变量的值），接着解锁，接下来线程2拿到锁，此时线程2是可以感知到线程1在持有锁期间的操作。

（3）对于每个属性写入默认值（0，false, null）与每个线程对其进行的操作同步

  对象创建时，JVM会根据对象属性类型等信息为其分配一块内存，由于内存中可能存在脏数据，所以JVM在创建对象时，会根据其属性类型初始化默认值，比如数字类型的初始化为0，布尔类型初始化为false，对象类型初始化为null，这个初始化的操作在线程访问对象之前完成，确保访问对象的线程不会看到“脏数据”（即没初始化之前的内存乱码）。

（4）启动线程的操作与线程中的第一个操作同步

  这里同步的意思同样有两层含义，一层指线程要先被启动才能执行线程里的run方法；一层指启动线程的线程调用start()方法启动了线程，这个启动动作修改了被启动的线程状态，并且被启动线程能感知到这种状态的变化。

（5）线程T2的最后操作与线程T1发现线程T2已经结束同步（isAlive,join可以判断线程是否终结）

  跟上面的规则差不多，就是T2线程操作结束时，线程状态会修改成Terminated，这个线程状态对其他线程是可见的。

（6）如果线程T1中断了T2，那么线程T1的中断操作与其他所有线程发现T2被中断了同步，通过抛出InterruptedException异常，或者调用Thread.interrupted或Thread.isInterrupted

  线程T1调用t1.interrupted()来中断线程T1，本质是修改T1线程对象的interrupted属性的状态值为true，这个状态值对其他线程可见，其他线程发现线程T2中断肯定在线程T1中断T2之后发生

5、Happens-before先行发生原则

  happens-before关系用于描述两个有冲突的动作之间的顺序，如果一个action happends before另一个action，则第一个操作被第二个操作可见，JVM需要实现如下happens-before规则：

（1）某个线程中的每个动作都happens-before该线程中该动作后面的动作

  简单地说就是代码指令的顺序执行

（2）某个管程上的unlock动作happens-before同一个管程上后续的lock操作

  先加锁后解锁，顺序不可调整

（3）对某个volatile字段的写操作happens-before每个后续对该volatile字段的读操作

（4）在某个线程对象上调用start()方法happens-before该启动线程中的任意动作

（5）如果在线程t1中成功执行了t2.join()，则t2中所有操作对t1可见

（6）如果某个动作a happens-before动作b，且b happens-before动作c，则有a happens-before c

6、final在JMM中的处理

public class Demo2Final {
    final int x;
    int y;
    
    static Demo2Final f;
    
    public Demo2Final() {
        x = 3;
        y = 4;
    }
    
    static void writer() { f = new Demo2Final(); }
    
    static void reader() {
        if (f != null) {
            int i = f.x;    // 一定会读到正确的构造版本
            int j = f.y;    // 可能会读到默认值0
            System.out.println("i = " + i + ", j = " + j);
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // Thread1 writer
        // Thread2 read
    } 
}

public class Demo3Final {
    final int x;
    int y;
    int c;
    
    static Demo3Final f;
    
    public Demo3Final() {
        x = 3;
        // #### 重点语句  ####
        y = x;    // 因为x被final修饰了，所以可读到y的正确构造版本
        c = 4;
    }
    
    static void writer() { f = new Demo3Final(); }
    
    static void reader() {
        if (f != null) {
            int i = f.x;
            int j = f.y;
            int k = f.c;
            System.out.println("i = " + i + ", j = " + j + ", k = " + k);
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        // Thread1 write
        Demo3Final.writer();
        
        // Thread2 read
    }
}

7、Word Tearing字节处理

  有些处理器（尤其是早期的Alphas处理器）没有提供写单个字节的功能。在这样的处理器上更新byte数组，若只是简单地读取整个内容，更新对应的字节，然后将整个内容再写回内存，将是不合法的。

  这个问题有时候被称为“字分裂（word tearing）”，更新单个字节有难度的处理器，就需要寻求其他方式来解决问题。因此，编程人员需要注意，尽量不要对byte[]中的元素进行重新赋值，更不要在多线程程序中这样做。

如下图所示，展示了字分类的问题：

  内存中存在数组[10, 2, 6, 9, 11, 23, 14]，现在线程1要修改数组下标为4的元素值为10，线程2要修改数组下标为3的元素值为6。

8、double和long的特殊处理

  由于《Java语言规范》的原因，对非volatile的double、long的单词写操作是分两次来进行的，每次操作其中32位，这可能导致第一次写入后，读取的值是脏数据，第二次写完成后，才能读到正确值。但是现在的JVM大都针对这点进行了优化，使得对double、long类型数据的操作都能以整体64位进行，保持原子性，防止读取的线程读到脏数据。

  读写volatile修饰的long、double是原子性的。

  商业JVM不会存在这个问题，虽然规范没要求实现原子性，但是考虑到实际应用，大部分都实现了原子性。

  《Java语言规范》中说道：建议程序员将共享的64位值（long、double）用volatile修饰或正确同步其程序以避免可能的复杂的情况。