简述Java内存模型

Java内存模型即Java Memory Model，简称JMM，其规范了Java虚拟机与计算机内存时如何协同工作的，规定了一个线程如何和何时看到其他线程修改过的值，以及在必须时，如何同步访问共享变量。

JVM的内存分配

在解释Java内存模型之前，我们先了解下JVM的内存分配的几个概念，如下图所示，Java内存模型把内存分为两大块，一个是堆一个是栈。

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• 堆heap：运行时的数据区，由垃圾回收负责，动态分配大小。存取速度较慢；
• 栈stack：存取速度比堆快，仅次于寄存器，数据可以共享，大小和生存期等是固定的。

Java内存模型要求调用栈和本地变量存放在线程栈上，对象存放在堆上。
一个变量也可能是指向一个对象的引用，引用这个变量是放在线程栈上，但对象本身是放在堆上的。
一个对象它可能包含方法(methodOne..)，方法包含本地变量（Local variable1..)，这些本地变量都仍然是放在线程栈上的，即使这些方法所属的对象存放在堆上，一个对象的成员变量可能会随着对象自身存放在堆上，不管这个对象是原始类型还是引用类型。
静态成员变量跟随着类的定义存放在堆上，存放在堆上的对象可以被所持有对这个对象引用的线程访问。
当一个线程可以访问一个对象时，它也可以访问这个对象的成员变量，如果两个线程同时调用同一个对象上的同一个方法，他们都会访问这个对象的成员变量，但是每一个线程都拥有了成员变量的私有拷贝。

计算机硬件架构

接下来我们再来看看计算机硬件架构的图示：

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这里是个多CPU的结构，一个cpu中可能还包含多核。因此我们可以看出，在有两个或者多个cpu的现代计算机上，同时运行多个线程是有可能的，而且每个cpu在某个时刻运行一个线程是没问题的。若Java程序是多线程的，在Java程序中，每个cpu上一个线程是可能同时并发执行的。

在CPU内部有一组CPU寄存器，也就是CPU的储存器。

CPU操作寄存器的速度要比操作计算机主存快的多，在主存和CPU寄存器之间还存在一个CPU缓存，CPU操作CPU缓存的速度快于主存但慢于CPU寄存器。即CPU操作的速度上主存 < 缓存 < 寄存器。某些CPU可能有多个缓存层（一级缓存和二级缓存）。计算机的主存也称作RAM，所有的CPU都能够访问主存，而且主存比上面提到的缓存和寄存器大很多。

当一个CPU需要访问主存时，会先读取一部分主存数据到CPU缓存，进而在读取CPU缓存到寄存器。当CPU需要写数据到主存时，同样会先将寄存器的数据刷新到CPU缓存，然后再在某些节点把缓存数据刷新到主存。

Java内存模型和硬件内存架构并不一致。硬件内存架构中并没有区分栈和堆，从硬件上看，所有的线程栈和堆都分布在主主存中，当然一部分栈和堆的数据也有可能会存到CPU缓存和寄存器中，如下图所示，Java内存模型和计算机硬件内存架构是一个交叉关系：

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并发编程模型的两个关键问题

在并发编程中，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（这里的线程是指并发执行的活动实体）。通信是指线程之间以何种机制来交换信息。在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种：共享内存和消息传递。

在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，通过写-读内存中的公共状态进行隐式通信。在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过发送消息来显式进行通信。
同步是指程序中用于控制不同线程间操作发生相对顺序的机制。在共享内存并发模型里，同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行。
在消息传递的并发模型里，由于消息的发送必须在消息的接收之前，因此同步是隐式进行的。
Java的并发采用的是共享内存模型，Java线程之间的通信总是隐式进行，整个通信过程对程序员完全透明。

Java内存模型的抽象结构

接下来我们从抽象角度看看线程和主存之间的抽象关系：

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线程之间的共享变量存储在主内存里，每个线程都有个私有的本地内存，存储了该线程以读/写共享变量的副本。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。

从上图来看，如果线程A与线程B之间要通信的话，必须要经历下面2个步骤。
1）线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
2）线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

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本地内存A和本地内存B由主内存中共享变量x的副本。假设初始时，这3个内存中的x值都为0。线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内
存中，此时主内存中的x值变为了1。随后，线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1。
从整体来看，这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息，而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为Java程序员提供内存可见性保证。

Java内存模型的同步操作和规则

为了保证并发时程序处理的准确性，这里就需要一些同步的手段，这里我们介绍一下Java内存模型定义的同步的八种操作和一些规则。

八种操作

1. 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；
2. unlock（解锁）：作用于主内存的变量，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；
3. read（读取）：作用于主内存的变量，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；
4. 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；
5. 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；
6. assign（赋值）： 作用于工作内存的变量，它把一个执行引擎接受到的值赋值给工作内存的变量；
7. 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操作；
8. write（写入）: 作用于主内存的变量，他把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。

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规则

1. 不允许read/load,store/write单一出现，且必须按顺序执行，但中间可以插入其他指令；
2. 不允许一个线程丢弃离他最近的assign操作
3. 不允许一个线程未发生assign操作就将数据同步至主线程；
4. 一个新的变量，只能从主内存中诞生，不允许在工作内存中生成一个未被初始化的变量。
5. 一个变量在同一时刻只允许一个线程执行lock操作，lock可以被同一个线程执行多次，需要相同次数的unlock操作才能解锁；
6. 如果一个变量执行了lock操作，则会清空工作内存中的值，执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或者assign操作来拿到初始化变量的值；
7. 如果一个变量没有被lock操作执行，则不允许对其进行unlock操作，也不允许unlock一个被其他线程lock的变量，unlock操作执行之前，必须将此变量同步回主内存。

参考文档：

1. 《Java并发编程的艺术》
2. https://blog.csdn.net/suifeng3051/article/details/52611310
3. https://coding.imooc.com/learn/list/195.html