物理計算機并發(fā)問題

在介紹Java內(nèi)存模型之前，先簡單了解下物理計算機中的并發(fā)問題。由于處理器的與存儲設(shè)置的運算速度有幾個數(shù)量級的差距，所以現(xiàn)代計算機加入一層讀寫速度盡可能接近處理器的高速緩存來作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖：將運算需要使用到的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中，讓運算能快速進(jìn)行，當(dāng)運算結(jié)束后再從緩存同步回內(nèi)存中，這樣處理器就無須等待緩慢的內(nèi)存讀寫了。

基于高速緩存的存儲交互引入一個新的問題：緩存一致性。在多處理器系統(tǒng)中，每個處理器都有自己的高速緩存，而它們又共享同一主存，如圖2-1所示

當(dāng)多個處理器的運算任務(wù)都涉及同一塊內(nèi)存區(qū)域時，將可能導(dǎo)致各自的緩存數(shù)據(jù)不一致，此時，同步回主內(nèi)時以誰的緩存數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。為了解決一致性問題，需要各個處理器訪問緩存時都遵循一些協(xié)議，在讀寫時要根據(jù)協(xié)議來進(jìn)行操作。

除了增加高速緩存外，為了使處理器內(nèi)部的運算單元能夠充分被利用，處理器可能對輸入代碼進(jìn)行亂序執(zhí)行優(yōu)化，處理器會在計算之后將亂序執(zhí)行的結(jié)果重組，保證與順序執(zhí)行的結(jié)果一致，但并不保證程序中各個語句計算的先后順序與輸入代碼中的一致，因此，如果存在一個計算任務(wù)依賴另一個計算任務(wù)的中間結(jié)果，那么其順序性并不能靠代碼的先后順序來保證。

Java 內(nèi)存模型

主內(nèi)存與工作內(nèi)存

Java內(nèi)存模型規(guī)定了所有變量都存儲在主內(nèi)存中(此處主內(nèi)存與物理計算機的主內(nèi)存名字一樣，可以類比，但此處僅是虛擬機內(nèi)存的一部分)，這里的變量包括實例字段，靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對象的元素，但不包括局部變量和方法參數(shù)，因為后者是線程私用的。每個線程還有自己的工作內(nèi)存(可與處理器的高速緩存類比)，線程的工作內(nèi)存中保存了被該線程使用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對變量的所有操作(讀寫等)都必須在工作內(nèi)存中，不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。不同的線程之間也不能直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間的變量值的傳遞必須通過主內(nèi)存來完成。 線程、主內(nèi)存、工作內(nèi)存三者的交互關(guān)系如圖2-2

內(nèi)存間交互操作

Java內(nèi)存模型定義了8種操作來完成一個變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存，如何從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。虛擬機在實現(xiàn)時必須保證每一種操作都是原子的，不可再分的(double和long類變量允許例外)。

• lock(鎖定) : 作用于主內(nèi)存的變量，把一個變量標(biāo)識為一個線程獨占的狀態(tài)。
• unlock(解鎖)：作用于主內(nèi)存的變量，把一個處于鎖定狀態(tài)的變量解鎖，解鎖后的變量才可以被其他線程鎖定。
• read(讀取) : 作用于主內(nèi)存的變量，把一個變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存，以便隨后的load動作使用。
• load(載入)：作用于主內(nèi)存的變量，把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。
• use(使用)：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中一個變量的值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機遇到一個需要使用的變量的值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作。
• assign(賦值)：作用于工作內(nèi)存變量，把一個從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機遇到一個變量賦值的字節(jié)碼指令時執(zhí)行這個操作。
• store(存儲)：作用于工作內(nèi)存變量，把工作內(nèi)存中一個變量的值傳遞到主內(nèi)存中，以便隨后的write操作使用。
• write(寫入)：作用于主內(nèi)存變量，把store操作從工作內(nèi)存中得到的變量值放入主內(nèi)存的變量中。

Java內(nèi)存模型規(guī)定了在執(zhí)行上述8種基本操作時必須滿足如下規(guī)則：

• read 和load ，store和write 必須成對操作
• 不允許線程丟棄assign操作，變量在工作內(nèi)存中改變后必須把該變化同步回主內(nèi)存
• 沒有assign操作，不允許變量從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存
• 新變量只能在主內(nèi)存中誕生，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個未被初始化的變量(load或assign)，即對一個變量實時use和store之前必須先執(zhí)行過assign和load操作
• 一個變量同一時刻只允許一條線程lock操作，但lock操作可以多次，執(zhí)行相同數(shù)量的unlock，變量才會解鎖
• lock操作會清空工作內(nèi)存副本，執(zhí)行引擎使用前，需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或者assign操作初始化變量的值
• 沒有l(wèi)ock操作，就不允許unlock操作。不允許unlock另一個線程變量。
• unlock操作前必須先store，write操作，同步回主內(nèi)存中。