并发编程-Java内存模型

将之前看过的关于并发编程的东西总结记录一下，本文简单记录Java内存模型的相关知识。

1. 并发编程两个关键问题

并发编程中，需要处理两个关键问题：线程之间如何通信及线程之间如何同步。

（1）在命令式编程（命令式编程侧重于告诉计算机先做什么后做什么，与声明式只告诉做什么，不告诉怎么做不同）中，线程间的通信机制有两种：共享内存和消息传递。

　　① 在共享内存的并发模型中，线程之间共享程序的公共状态，通过读写内存的公共状态进行隐式通信；

　　② 在消息传递的并发模型中，线程间没有公共状态，其通过发生消息进行显式通信。

（2）线程同步是用于控制不同线程间操作发生的相对顺序，在共享内存并发模型中，同步是显式进行的，如通过synchronized控制线程互斥的访问某方法或代码块；在消息传递的并发模型中，消息发送再接收之前，同步是隐式进行的。

Java的并发采用的是共享内存模型，通信是隐式的，同步是显式的。

2. Java内存模型

（1）计算机硬件结构

　　介绍Java内存模型之前，先看下目前计算机硬件架构，如下图（摘自Java内存模型，具体介绍可参考该文章）。

　　由于计算机的存储设备与处理器的运算速度几个数量级的差距，所以现代计算机系统都引入一层读写速度与处理器接近的高速缓存（CPU Cache）作为内存与处理器之间的缓冲。将运算需要使用的数据复制到缓存中，加快运算速度，当运算结束后再从缓存同步到内存中，这样处理器不需要等待缓慢的内存IO。

　　在此情况下，引入了新的问题：缓存一致性。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，它们共享同意主内存（Main Memory）。为解决缓存一致性的问题，需要各处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，如MSI协议（监听一致性协议通过利用总线将处理器核的私有Cache 和主存储器连接在一起，每一个私有 Cache 中的控制器会时刻侦听总线上的消息，并根据消息的类型做出相应的操作—百度百科）等。

（2）Java 内存模型的抽象结构

　　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，即在虚拟机中将共享变量存储到内存和从内存取出的机制，这些共享变量包括实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，可以认为都存储在堆内存中。

　　Java内存模型的抽象结构如下（摘自Java内存模型的深入理解，该图也是《Java并发编程的艺术》中的）：

　　① 该模型与上边计算机硬件架构类似，但该主内存是虚拟机的一部分，主要存储所有变量（主要包含堆区部分的变量）；

　　② 每条线程都有自己的本地内存（或者叫工作内存），保存主内存汇总变量的副本，线程对变量的操作都是在该内存中进行，可以与处理器高速缓存类比；

　　③ 不同线程间的通信只能通过主内存进行。

（3）内存间的交互

　　一个变量从主内存拷贝到本地内存，或从本地内存同步到主内存，需要通过具体的交互协议。Java内存模型定义了8种操作来完成。

lock(锁定)	主内存，将主内存中变量标识为一条线程独占状态
unlock(解锁)	主内存，与lock相反，释放变量的锁
read(读取)	主内存，将变量从主内存传输到本地内存，以便后续的load操作
load(载入)	本地内存，将变量放入本地内存的变量副本中
use(使用)	本地内存，将该变量的值传给执行引擎，用于执行操作，对应使用到该变量的字节码指令
assign(赋值)	本地内存，将从执行引擎接收到的值赋给本地内存的变量，对应赋值字节码指令
store(存储)	本地内存，将本地内存中的变量值传送到主内存，以便后续的write操作
write(写入)	主内存，将从store操作中获取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本地内存，需要顺序执行read和load操作，如果把变量从本地内存同步会主内存，需要顺序执行store和write操作。Java内存模型只要求上边两个顺序执行，并不能保证连续执行，即他们之间是可以插入其他命令，非原子操作。这8种基本操作必须满足以下规则：

　　① read和load、store和write不能单独出现

　　② 不允许一个线程丢弃最近assign操作，即本地内存中的改变必须同步回主内存；

　　③ 一个新共享变量只能在主内存中诞生（线程中本地变量可以）

　　④ 一个变量同一时刻只允许一个线程进行lock操作，同一线程可以多次执行lock（对应同一线程可以多次执行synchronized）

　　⑤ 对一个变量执行lock操作时，将会清空本地内存中该变量的值，再执行引擎使用该变量时，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值

　　⑥ 对变量执行lock操作，就不可以执行unlock操作

　　⑦ 将一个变量unlock之前，必须先把该变量同步回主内存（执行store和write操作）

（4）原子性、可见性和有序性

　　Java内存模型具有原子性、可见性和有序性等3个特性。

　　① 原子性，上边描述的8种操作都具有原子性，如需要更大范围的原子性，可以使用lock和unlock操作。虽然该指令并没有开放给用户使用，但提高了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit，其对应Java代码中锁定代码块的synchronized关键字。

　　② 可见性，当一个线程对共享变量修改后，其他线程可以立即得到该值。Java内存模型是通过将修改后的变量值同步回主内存，在线程读取前从主内存刷新该变量新值实现可见性，对普通变量和volatile变量都是如此，只是volatile变量的特殊规则保证新值能立即同步到主内存，每次使用前立即从主内存刷新，故volatile能保证多线程操作时变量的可见性，具体volatile讲述见后续文章。

　　除了volatile之外，还有两个关键字能实现可见性，synchronized和final，前者通过对线程顺序执行实现，final修饰的字段在构造器中初始化后，并且构造器没有this引用逃逸（把this引用传递出去），其他线程就可以看到final字段的值。

　　③ 有序性，如果在本线程内观察，所有操作都是有序的，即无论编译器或处理器对指令怎么进行重排序，执行结果不变，遵从as-if-serial语义；如果一个线程观察另一个线程，所有操作都是无序的，是指存在“指令重排序”和“本地内存与主内存同步延迟”的现象。

　　Java提供了volatile和synchronized保证线程之间的有序性，前者禁止指令重排序，后者由上边规则4获得。

3. 总结

1. Java线程间通信是通过共享内存的方式进行的，通信是隐式地通过更新主内存实现；线程间同步通过显式地通过互斥等方式实现

2. 计算机硬件架构中引入高速缓存以加速处理器，通过相关协议解决多处理器中“缓存一致性”的问题

3. Java内存模型与家算计硬件架构类似，主内存中存储共享变量，本地内存或工作内存中存储变量拷贝，用于各线程计算，可以通过锁实现同步

4. 提供8种操作用于主内存与本地内存的交互，并且必须遵循一定的规则使用

5. Java内存弄下具有原子性、可见性和有序性。

6. 另外，Java内存模型中还存在“先行发生”（happen-before）的原则，其是内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如说A先行发生于B，则A操作的结果B可以观察到。如Monitor Lock Rule、volatile变量写操作先行于读操作、线程终结、对象终结等。是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据。