java高并发编程：1--内存模型

我们在学习Java高并发编程前，先了解一下《java内存管理(1) 》、《Java垃圾回收(2)》、《java线程池使用》。

一、计算机硬件的效率与一致性

    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都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，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的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。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而他们又共享同一主内存。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。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，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、mesi、mosi、synape、firefly等。

    下图为处理器、高速缓存、主内存间的交互关系

     除了增加高速缓存之外，为了使的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，单并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此，如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的的中间结果，那么其顺序并不能靠代码的先后顺序来保证。

二、Java内存模型

    Java内存模型的主要目的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底层细节。此处的变量包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，单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，自然就不会存在竞争问题。为了获取较好的执行效能，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中。每个线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了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（读取、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。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： 

     注意：这里所说的主内存、工作内存与Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一层次的内存划分，这两者基本上没有关系的。

三、内存间交互操作

    关于主内存与工作内存间具体的交互协议，即一个变量如果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内存模型定义了以下8种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(解锁)：作用于主内存的变量，把他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的线程锁定。
• read(读取)：作用于主内存的变量，他吧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，他吧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)：作用于工作内存中的变量，他吧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的变量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，他吧一个从执行引擎接收到的赋值给工作内存的变量，每个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，她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的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，那就要顺序的执行read和load操作，如果要把一个变量从工作内存同步回主内存，就要顺序的执行store和write操作。注意，Java内存模型只要求上述两个操作必须顺序执行，而没有保证是连续执行。也就是说，read与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进行访问时一种可能出现顺序是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8中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。
• 不予许一个线程丢弃他的最近的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。
• 不允许一个线程无原因的把数据从线程工作内存同步回主内存中。
• 一个新的变量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，变量才会被解锁。
• 如果一个变量执行lock操作， 那将会清空工作内存中变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load和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，那就不允许它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁住的变量。
• 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把变量同步回主内存中。