Java内存模型与共享变量可见性

此文已由作者赵计刚授权网易云社区发布。

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注：本文主要参考自《深入理解Java虚拟机（第二版）》和《深入理解Java内存模型》

1、Java内存模型（JMM）

Java内存模型的主要目标：定义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。

注意：上边的变量指的是共享变量（实例字段、静态字段、数组对象元素），不包括线程私有变量（局部变量、方法参数），因为私有变量不会存在竞争关系。

1.1、内存模型就是一张图：

说明：

• 所有共享变量存于主内存
• 每一条线程都有自己的工作内存（就是上图所说的本地内存）
• 工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本

注意：

• 线程对变量的操作都要在工作内存中进行，不能直接操作主内存
• 不同的线程之间无法直接访问对方的工作内存中的变量
• 不同线程之间的变量的传递必须通过主内存

类比：（注意：主内存与工作内存只是一个概念，与堆栈内存没有关系，下边的类比只是帮助理解）

• 主内存：对应于Java堆中的对象实例数据部分（注意：堆中还保存了对象的其他信息，eg.Mark Word、Klass Point和用于字节对其补白的填充数据）
• 工作内存：对应于栈中的部分区域

1.2、8条内存屏障指令：

下面只列出6条与之后内容相关的，其余的查看《深入理解Java虚拟机》

• lock：作用于主内存，把一个变量标识为一条线程独占的状态
• unlock：作用于主内存，把一个处于锁定的变量解锁

下边四条是与volatile实现内存可见性直接相关的四条（store、write、read、load）

• store：把工作内存中的变量的值传送到主内存中
• write：把store操作从工作内存中得到的变量值放入到主内存的变量中
• read：把一个变量的值从主内存中传输到线程的工作内存
• load：把read操作从主内存中获取到的变量值放入工作内存的变量中去

注意：

• 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作
• lock操作会将该变量在所有线程工作内存中的变量副本清空，否则就起不到锁的作用了
• lock操作可被同一条线程多次进行，lock几次，就要unlock几次（可重入锁）
• unlock之前必须先执行store-write
• store-write必须成对出现（工作内存-->主内存）
• read-load必须成对出现（主内存-->工作内存）

2、变量对所有线程的可见性

可见性：线程1对共享变量的修改能及时被线程2看到

2.1、共享变量不可见的原因

• 共享变量更新后的值没有在工作内存和主内存之间及时更新
• 线程交错执行
• 指令重排序结合线程交错执行

2.2、实现共享变量及时更新的措施

线程1修改过共享变量后，将共享变量刷到主内存，然后，线程2从主内存读取该共享变量，将该共享变量载入到工作内存中

注意：在短时间内的高并发情况下，如果发生下列三种情况，则线程2就读不到线程1修改过的最新的值了，

• 可能线程1根本来不及将修改过后的共享变量刷到主内存（这个时间非常短，但是还是有）的时候，线程2就已经读取了原有的主内存变量到其工作内存中。
• 可能线程1虽然将修改过后的值刷到了主内存中，但是线程2的工作内存中的变量副本还没来得及从CPU刷新回来，所以线程2读取到的还是原来的工作内存中的变量副本
• 可能线程1根本来不及将修改过后的共享变量刷到主内存的时候，同时，线程2的工作内存中的变量副本还没来得及从CPU刷新回来

注意：工作内存中的变量副本在使用之后，不会立刻消失掉，会一直存在，这样其值也一直不变，直到对其进行写操作或数据从CPU中刷新回来（类比volatile-read的作用）。

2.3、指令重排序：代码书写顺序与实际执行顺序不同（编译器或处理器为提高程序性能做的优化）

eg.

书写代码的顺序如下：

1         int a = 12;
2         int b = 13;
3         int c = a+b;

可能实际执行代码的顺序如下：

1         int b = 13;
2         int a = 12;
3         int c = a+b;

总结：本文大概介绍了一下Java内存模型以及与共享变量可见性的一些概念，为下边的volatile做准备。

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