java内存模型：volatile变量、与synchronized

转载自：http://www.cnblogs.com/nexiyi/p/java_memory_model_and_thread.html

Java内存模型

　　定义Java内存模型并不是一件容易的事情，这个模型必须定义得足够严谨，才能让Java的并发操作不会产生歧义；但是，也必须得足够宽松，使得虚拟机的实现能有足够的自由空间去利用硬件的各种特性（寄存器、高速缓存等）来获取更好的执行速度。经过长时间的验证和修补，在JDK1.5发布后，Java内存模型就已经成熟和完善起来了。

主内存与工作内存

　　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，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底层细节。此处的变量与Java编程时所说的变量不一样，指包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量与方法参数，后者是线程私有的，不会被共享。

　　Java内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存（可以与前面将的处理器的高速缓存类比），线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量到主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值）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在主内存来完成，线程、主内存和工作内存的交互关系如下图所示，和上图很类似。

这里的主内存、工作内存与Java内存区域的Java堆、栈、方法区不是同一层次内存划分。

内存间交互操作

　　关于主内存与工作内存之间的具体交互协议，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到主内存之间的实现细节，Java内存模型定义了以下八种操作来完成：

• lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状态。
• unlock（解锁）：作用于主内存变量，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）：作用于主内存变量，把一个变量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，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用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）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
• write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

　　如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺寻地执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也就是read和load之间，store和write之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，可能的顺序是read a，read b，load b， load a。Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现
• 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
• 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
• 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assign）的变量。即就是对一个变量实施use和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，lock和unlock必须成对出现
• 如果对一个变量执行lock操作，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操作初始化变量的值
• 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和write操作）。

重排序

　　在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器经常会对指令进行重排序。重排序分成三种类型：

1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义放入前提下，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机器指令的执行顺序。
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，会经过下面三种重排序：

为了保证内存的可见性，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。Java内存模型把内存屏障分为LoadLoad、LoadStore、StoreLoad和StoreStore四种：

http://blog.csdn.net/jinyongqing/article/details/21343629

关于volatile变量

由于java的内存模型中有工作内存和主内存之分，所以可能会有两种问题：

（1）线程可能在工作内存中更改变量的值，而没有及时写回到主内存，其他线程从主内存读取的数据仍然是老数据

（2）线程在工作内存中更改了变量的值，写回主内存了，但是其他线程之前也读取了这个变量的值，这样其他线程的工作内存中，此变量的值没有被及时更新。

为了解决这个问题，可以使用同步机制，也可以把变量声明为volatile，volatile修饰的成员变量有以下特点：

（1）每次对变量的修改，都会引起处理器缓存（工作内存）写回到主内存。

（2）一个工作内存回写到主内存会导致其他线程的处理器缓存（工作内存）无效。

基于以上两点，如果一个字段被声明成volatile，java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

此外，java虚拟机规范（jvm spec）中，规定了声明为volatile的long和double变量的get和set操作是原子的。这也说明了为什么将long和double类型的变量用volatile修饰，就可以保证对他们的赋值操作的原子性了

 

关于volatile变量的使用建议：多线程环境下需要共享的变量采用volatile声明；如果使用了同步块或者是常量，则没有必要使用volatile。

java内存模型与synchronized关键字

synchronized关键字强制实施一个互斥锁，使得被保护的代码块在同一时间只能有一个线程进入并执行。当然synchronized还有另外一个 方面的作用：在线程进入synchronized块之前，会把工作存内存中的所有内容映射到主内存上，然后把工作内存清空再从主存储器上拷贝最新的值。而 在线程退出synchronized块时，同样会把工作内存中的值映射到主内存，但此时并不会清空工作内存。这样一来就可以强制其按照上面的顺序运行，以 保证线程在执行完代码块后，工作内存中的值和主内存中的值是一致的，保证了数据的一致性！  

所以由synchronized修饰的set与get方法都是相当于直接对主内存进行操作，不会出现数据一致性方面的问题。

public class VolatileClass {
public static volatile Message message = new Message();
public static void main(String[] args) throws Exception {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
int i = 1 ;
while(message.flag){
//注意 ： 这行代码要是去掉注释，volatile在JDK1.2下也将失去作用，
//因为System.out.println中含有同步块，一执行该方法，变量将从主存中重新读取。
//System.out.println("==============" + i);
i++;
}
}
}).start();
Thread.sleep(100);
message.flag = false;
}
}
class Message{
public  boolean flag = true;
}