浅谈Java内存模型

        Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型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。

        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，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细节。此处的变量与Java编程中所说的变量有所区别，它包括了实例变量、静态字段和构造数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然不会存在竞争问题。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变量都存储在主内存（Main Memory）中。每条线程都有自己的工作内存（Working Memory），线程的工作内存中保存了被该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。不同的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内存来完成。线程、主内存、工作内存三者的关系如下。

                                       

        这里所讲的主内存、工作内存与Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存划分，这两者基本上没有什么关系。如果两者一定要勉强对应起来，那么从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低层次上来说，主内存就直接对应于物理硬件的内存，而为了获取更好地运行速度，虚拟机可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中，因为程序运行时主要访问的读写是工作内存。

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会主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8中操作来完成，虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的。

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独占的状态。

unlock（未锁定）：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，每当虚拟机遇到一条需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

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，它把工作内存中的一个变量值传送到主内存中，以便随后的write操作。

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的变量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，那就要顺序地执行read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和write操作。注意，Java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，而没有保证是连续执行。除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述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但工作内存不接收，或者从工作内存发起回写但主内存却不接受的情况出现。

②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该变化同步回主内存。

③不允许一个线程无原因地把数据从线程的工作内存同步会主内存中。

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初始化的变量，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assign和load操作。

⑤一个变量在同一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，变量才能解锁。

⑥如果对一个变量执行了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assign操作初始化这个变量的值。

⑦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。