理解Java內(nèi)存區(qū)域與Java內(nèi)存模型Java內(nèi)存區(qū)域 Java虛擬機(jī)在運(yùn)行程序時(shí)會(huì)把其自動(dòng)管理的內(nèi)存劃分為以上幾個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有的用途以及創(chuàng)建銷毀的時(shí)機(jī)，其中藍(lán)色部分代表的是所有線程共享的數(shù)據(jù)區(qū)域，而綠色部分代表的是每個(gè)線程的私有數(shù)據(jù)區(qū)域。 方法區(qū)（Method Area）： 方法區(qū)屬于線程共享的內(nèi)存區(qū)域，又稱Non-Heap（非堆），主要用于存儲(chǔ)已被虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)，根據(jù)Java 虛擬機(jī)規(guī)范的規(guī)定，當(dāng)方法區(qū)無(wú)法滿足內(nèi)存分配需求時(shí)，將拋出OutOfMemoryError 異常。值得注意的是在方法區(qū)中存在一個(gè)叫運(yùn)行時(shí)常量池(Runtime Constant Pool）的區(qū)域，它主要用于存放編譯器生成的各種字面量和符號(hào)引用，這些內(nèi)容將在類加載后存放到運(yùn)行時(shí)常量池中，以便后續(xù)使用。 JVM堆（Java Heap）： Java 堆也是屬于線程共享的內(nèi)存區(qū)域，它在虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，是Java 虛擬機(jī)所管理的內(nèi)存中最大的一塊，主要用于存放對(duì)象實(shí)例，幾乎所有的對(duì)象實(shí)例都在這里分配內(nèi)存，注意Java 堆是垃圾收集器管理的主要區(qū)域，因此很多時(shí)候也被稱做GC 堆，如果在堆中沒(méi)有內(nèi)存完成實(shí)例分配，并且堆也無(wú)法再擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)拋出OutOfMemoryError 異常。 程序計(jì)數(shù)器(Program Counter Register)： 屬于線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，是一小塊內(nèi)存空間，主要代表當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼行號(hào)指示器。字節(jié)碼解釋器工作時(shí)，通過(guò)改變這個(gè)計(jì)數(shù)器的值來(lái)選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)等基礎(chǔ)功能都需要依賴這個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)完成。 虛擬機(jī)棧(Java Virtual Machine Stacks)： 屬于線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，與線程同時(shí)創(chuàng)建，總數(shù)與線程關(guān)聯(lián)，代表Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型。每個(gè)方法執(zhí)行時(shí)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)棧楨來(lái)存儲(chǔ)方法的的變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接方法、返回值、返回地址等信息。每個(gè)方法從調(diào)用直結(jié)束就對(duì)于一個(gè)棧楨在虛擬機(jī)棧中的入棧和出棧過(guò)程，如下（圖有誤，應(yīng)該為棧楨）：  本地方法棧(Native Method Stacks)： 本地方法棧屬于線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，這部分主要與虛擬機(jī)用到的 Native 方法相關(guān)，一般情況下，我們無(wú)需關(guān)心此區(qū)域。 這里之所以簡(jiǎn)要說(shuō)明這部分內(nèi)容，注意是為了區(qū)別Java內(nèi)存模型與Java內(nèi)存區(qū)域的劃分，畢竟這兩種劃分是屬于不同層次的概念。 Java內(nèi)存模型概述Java內(nèi)存模型(即Java Memory Model，簡(jiǎn)稱JMM)本身是一種抽象的概念，并不真實(shí)存在，它描述的是一組規(guī)則或規(guī)范，通過(guò)這組規(guī)范定義了程序中各個(gè)變量（包括實(shí)例字段，靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素）的訪問(wèn)方式。由于JVM運(yùn)行程序的實(shí)體是線程，而每個(gè)線程創(chuàng)建時(shí)JVM都會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)工作內(nèi)存(有些地方稱為?？臻g)，用于存儲(chǔ)線程私有的數(shù)據(jù)，而Java內(nèi)存模型中規(guī)定所有變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存，主內(nèi)存是共享內(nèi)存區(qū)域，所有線程都可以訪問(wèn)，但線程對(duì)變量的操作(讀取賦值等)必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，首先要將變量從主內(nèi)存拷貝的自己的工作內(nèi)存空間，然后對(duì)變量進(jìn)行操作，操作完成后再將變量寫回主內(nèi)存，不能直接操作主內(nèi)存中的變量，工作內(nèi)存中存儲(chǔ)著主內(nèi)存中的變量副本拷貝，前面說(shuō)過(guò)，工作內(nèi)存是每個(gè)線程的私有數(shù)據(jù)區(qū)域，因此不同的線程間無(wú)法訪問(wèn)對(duì)方的工作內(nèi)存，線程間的通信(傳值)必須通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成，其簡(jiǎn)要訪問(wèn)過(guò)程如下圖，  需要注意的是，JMM與Java內(nèi)存區(qū)域的劃分是不同的概念層次，更恰當(dāng)說(shuō)JMM描述的是一組規(guī)則，通過(guò)這組規(guī)則控制程序中各個(gè)變量在共享數(shù)據(jù)區(qū)域和私有數(shù)據(jù)區(qū)域的訪問(wèn)方式，JMM是圍繞原子性，有序性、可見(jiàn)性展開(kāi)的(稍后會(huì)分析)。JMM與Java內(nèi)存區(qū)域唯一相似點(diǎn)，都存在共享數(shù)據(jù)區(qū)域和私有數(shù)據(jù)區(qū)域，在JMM中主內(nèi)存屬于共享數(shù)據(jù)區(qū)域，從某個(gè)程度上講應(yīng)該包括了堆和方法區(qū)，而工作內(nèi)存數(shù)據(jù)線程私有數(shù)據(jù)區(qū)域，從某個(gè)程度上講則應(yīng)該包括程序計(jì)數(shù)器、虛擬機(jī)棧以及本地方法棧?；蛟S在某些地方，我們可能會(huì)看見(jiàn)主內(nèi)存被描述為堆內(nèi)存，工作內(nèi)存被稱為線程棧，實(shí)際上他們表達(dá)的都是同一個(gè)含義。關(guān)于JMM中的主內(nèi)存和工作內(nèi)存說(shuō)明如下， 主內(nèi)存 主要存儲(chǔ)的是Java實(shí)例對(duì)象，所有線程創(chuàng)建的實(shí)例對(duì)象都存放在主內(nèi)存中，不管該實(shí)例對(duì)象是成員變量還是方法中的本地變量(也稱局部變量)，當(dāng)然也包括了共享的類信息、常量、靜態(tài)變量。由于是共享數(shù)據(jù)區(qū)域，多條線程對(duì)同一個(gè)變量進(jìn)行訪問(wèn)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)線程安全問(wèn)題。 工作內(nèi)存 主要存儲(chǔ)當(dāng)前方法的所有本地變量信息(工作內(nèi)存中存儲(chǔ)著主內(nèi)存中的變量副本拷貝)，每個(gè)線程只能訪問(wèn)自己的工作內(nèi)存，即線程中的本地變量對(duì)其它線程是不可見(jiàn)的，就算是兩個(gè)線程執(zhí)行的是同一段代碼，它們也會(huì)各自在自己的工作內(nèi)存中創(chuàng)建屬于當(dāng)前線程的本地變量，當(dāng)然也包括了字節(jié)碼行號(hào)指示器、相關(guān)Native方法的信息。注意由于工作內(nèi)存是每個(gè)線程的私有數(shù)據(jù)，線程間無(wú)法相互訪問(wèn)工作內(nèi)存，因此存儲(chǔ)在工作內(nèi)存的數(shù)據(jù)不存在線程安全問(wèn)題。 弄清楚主內(nèi)存和工作內(nèi)存后，接了解一下主內(nèi)存與工作內(nèi)存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型以及操作方式，根據(jù)虛擬機(jī)規(guī)范，對(duì)于一個(gè)實(shí)例對(duì)象中的成員方法而言，如果方法中包含本地變量是基本數(shù)據(jù)類型（boolean,byte,short,char,int,long,float,double），將直接存儲(chǔ)在工作內(nèi)存的幀棧結(jié)構(gòu)中，但倘若本地變量是引用類型，那么該變量的引用會(huì)存儲(chǔ)在功能內(nèi)存的幀棧中，而對(duì)象實(shí)例將存儲(chǔ)在主內(nèi)存(共享數(shù)據(jù)區(qū)域，堆)中。但對(duì)于實(shí)例對(duì)象的成員變量，不管它是基本數(shù)據(jù)類型或者包裝類型(Integer、Double等)還是引用類型，都會(huì)被存儲(chǔ)到堆區(qū)。至于static變量以及類本身相關(guān)信息將會(huì)存儲(chǔ)在主內(nèi)存中。需要注意的是，在主內(nèi)存中的實(shí)例對(duì)象可以被多線程共享，倘若兩個(gè)線程同時(shí)調(diào)用了同一個(gè)對(duì)象的同一個(gè)方法，那么兩條線程會(huì)將要操作的數(shù)據(jù)拷貝一份到自己的工作內(nèi)存中，執(zhí)行完成操作后才刷新到主內(nèi)存，簡(jiǎn)單示意圖如下所示：  硬件內(nèi)存架構(gòu)與Java內(nèi)存模型硬件內(nèi)存架構(gòu) 正如上圖所示，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化CPU與內(nèi)存操作的簡(jiǎn)易圖，實(shí)際上沒(méi)有這么簡(jiǎn)單，這里為了理解方便，我們省去了南北橋并將三級(jí)緩存統(tǒng)一為CPU緩存(有些CPU只有二級(jí)緩存，有些CPU有三級(jí)緩存)。就目前計(jì)算機(jī)而言，一般擁有多個(gè)CPU并且每個(gè)CPU可能存在多個(gè)核心，多核是指在一枚處理器(CPU)中集成兩個(gè)或多個(gè)完整的計(jì)算引擎(內(nèi)核),這樣就可以支持多任務(wù)并行執(zhí)行，從多線程的調(diào)度來(lái)說(shuō)，每個(gè)線程都會(huì)映射到各個(gè)CPU核心中并行運(yùn)行。在CPU內(nèi)部有一組CPU寄存器，寄存器是cpu直接訪問(wèn)和處理的數(shù)據(jù)，是一個(gè)臨時(shí)放數(shù)據(jù)的空間。一般CPU都會(huì)從內(nèi)存取數(shù)據(jù)到寄存器，然后進(jìn)行處理，但由于內(nèi)存的處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CPU，導(dǎo)致CPU在處理指令時(shí)往往花費(fèi)很多時(shí)間在等待內(nèi)存做準(zhǔn)備工作，于是在寄存器和主內(nèi)存間添加了CPU緩存，CPU緩存比較小，但訪問(wèn)速度比主內(nèi)存快得多，如果CPU總是操作主內(nèi)存中的同一址地的數(shù)據(jù)，很容易影響CPU執(zhí)行速度，此時(shí)CPU緩存就可以把從內(nèi)存提取的數(shù)據(jù)暫時(shí)保存起來(lái)，如果寄存器要取內(nèi)存中同一位置的數(shù)據(jù)，直接從緩存中提取，無(wú)需直接從主內(nèi)存取。需要注意的是，寄存器并不每次數(shù)據(jù)都可以從緩存中取得數(shù)據(jù)，萬(wàn)一不是同一個(gè)內(nèi)存地址中的數(shù)據(jù)，那寄存器還必須直接繞過(guò)緩存從內(nèi)存中取數(shù)據(jù)。所以并不每次都得到緩存中取數(shù)據(jù)，這種現(xiàn)象有個(gè)專業(yè)的名稱叫做緩存的命中率，從緩存中取就命中，不從緩存中取從內(nèi)存中取，就沒(méi)命中，可見(jiàn)緩存命中率的高低也會(huì)影響CPU執(zhí)行性能，這就是CPU、緩存以及主內(nèi)存間的簡(jiǎn)要交互過(guò)程，總而言之當(dāng)一個(gè)CPU需要訪問(wèn)主存時(shí)，會(huì)先讀取一部分主存數(shù)據(jù)到CPU緩存(當(dāng)然如果CPU緩存中存在需要的數(shù)據(jù)就會(huì)直接從緩存獲取)，進(jìn)而在讀取CPU緩存到寄存器，當(dāng)CPU需要寫數(shù)據(jù)到主存時(shí)，同樣會(huì)先刷新寄存器中的數(shù)據(jù)到CPU緩存，然后再把數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存中。 Java線程與硬件處理器了解完硬件的內(nèi)存架構(gòu)后，接著了解JVM中線程的實(shí)現(xiàn)原理，理解線程的實(shí)現(xiàn)原理，有助于我們了解Java內(nèi)存模型與硬件內(nèi)存架構(gòu)的關(guān)系，在Window系統(tǒng)和Linux系統(tǒng)上，Java線程的實(shí)現(xiàn)是基于一對(duì)一的線程模型，所謂的一對(duì)一模型，實(shí)際上就是通過(guò)語(yǔ)言級(jí)別層面程序去間接調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核的線程模型，即我們?cè)谑褂肑ava線程時(shí)，Java虛擬機(jī)內(nèi)部是轉(zhuǎn)而調(diào)用當(dāng)前操作系統(tǒng)的內(nèi)核線程來(lái)完成當(dāng)前任務(wù)。這里需要了解一個(gè)術(shù)語(yǔ)，內(nèi)核線程(Kernel-Level Thread，KLT)，它是由操作系統(tǒng)內(nèi)核(Kernel)支持的線程，這種線程是由操作系統(tǒng)內(nèi)核來(lái)完成線程切換，內(nèi)核通過(guò)操作調(diào)度器進(jìn)而對(duì)線程執(zhí)行調(diào)度，并將線程的任務(wù)映射到各個(gè)處理器上。每個(gè)內(nèi)核線程可以視為內(nèi)核的一個(gè)分身,這也就是操作系統(tǒng)可以同時(shí)處理多任務(wù)的原因。由于我們編寫的多線程程序?qū)儆谡Z(yǔ)言層面的，程序一般不會(huì)直接去調(diào)用內(nèi)核線程，取而代之的是一種輕量級(jí)的進(jìn)程(Light Weight Process)，也是通常意義上的線程，由于每個(gè)輕量級(jí)進(jìn)程都會(huì)映射到一個(gè)內(nèi)核線程，因此我們可以通過(guò)輕量級(jí)進(jìn)程調(diào)用內(nèi)核線程，進(jìn)而由操作系統(tǒng)內(nèi)核將任務(wù)映射到各個(gè)處理器，這種輕量級(jí)進(jìn)程與內(nèi)核線程間1對(duì)1的關(guān)系就稱為一對(duì)一的線程模型。如下圖，  如圖所示，每個(gè)線程最終都會(huì)映射到CPU中進(jìn)行處理，如果CPU存在多核，那么一個(gè)CPU將可以并行執(zhí)行多個(gè)線程任務(wù)。 Java內(nèi)存模型與硬件內(nèi)存架構(gòu)的關(guān)系通過(guò)對(duì)前面的硬件內(nèi)存架構(gòu)、Java內(nèi)存模型以及Java多線程的實(shí)現(xiàn)原理的了解，我們應(yīng)該已經(jīng)意識(shí)到，多線程的執(zhí)行最終都會(huì)映射到硬件處理器上進(jìn)行執(zhí)行，但Java內(nèi)存模型和硬件內(nèi)存架構(gòu)并不完全一致。對(duì)于硬件內(nèi)存來(lái)說(shuō)只有寄存器、緩存內(nèi)存、主內(nèi)存的概念，并沒(méi)有工作內(nèi)存(線程私有數(shù)據(jù)區(qū)域)和主內(nèi)存(堆內(nèi)存)之分，也就是說(shuō)Java內(nèi)存模型對(duì)內(nèi)存的劃分對(duì)硬件內(nèi)存并沒(méi)有任何影響，因?yàn)镴MM只是一種抽象的概念，是一組規(guī)則，并不實(shí)際存在，不管是工作內(nèi)存的數(shù)據(jù)還是主內(nèi)存的數(shù)據(jù)，對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件來(lái)說(shuō)都會(huì)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)主內(nèi)存中，當(dāng)然也有可能存儲(chǔ)到CPU緩存或者寄存器中，因此總體上來(lái)說(shuō)，Java內(nèi)存模型和計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)存架構(gòu)是一個(gè)相互交叉的關(guān)系，是一種抽象概念劃分與真實(shí)物理硬件的交叉。(注意對(duì)于Java內(nèi)存區(qū)域劃分也是同樣的道理)，  JMM存在的必要性在明白了Java內(nèi)存區(qū)域劃分、硬件內(nèi)存架構(gòu)、Java多線程的實(shí)現(xiàn)原理與Java內(nèi)存模型的具體關(guān)系后，接著來(lái)談?wù)凧ava內(nèi)存模型存在的必要性。由于JVM運(yùn)行程序的實(shí)體是線程，而每個(gè)線程創(chuàng)建時(shí)JVM都會(huì)為其創(chuàng)建一個(gè)工作內(nèi)存(有些地方稱為?？臻g)，用于存儲(chǔ)線程私有的數(shù)據(jù)，線程與主內(nèi)存中的變量操作必須通過(guò)工作內(nèi)存間接完成，主要過(guò)程是將變量從主內(nèi)存拷貝的每個(gè)線程各自的工作內(nèi)存空間，然后對(duì)變量進(jìn)行操作，操作完成后再將變量寫回主內(nèi)存，如果存在兩個(gè)線程同時(shí)對(duì)一個(gè)主內(nèi)存中的實(shí)例對(duì)象的變量進(jìn)行操作就有可能誘發(fā)線程安全問(wèn)題。如下圖，主內(nèi)存中存在一個(gè)共享變量x，現(xiàn)在有A和B兩條線程分別對(duì)該變量x=1進(jìn)行操作，A/B線程各自的工作內(nèi)存中存在共享變量副本x。假設(shè)現(xiàn)在A線程想要修改x的值為2，而B(niǎo)線程卻想要讀取x的值，那么B線程讀取到的值是A線程更新后的值2還是更新前的值1呢？答案是，不確定，即B線程有可能讀取到A線程更新前的值1，也有可能讀取到A線程更新后的值2，這是因?yàn)楣ぷ鲀?nèi)存是每個(gè)線程私有的數(shù)據(jù)區(qū)域，而線程A變量x時(shí)，首先是將變量從主內(nèi)存拷貝到A線程的工作內(nèi)存中，然后對(duì)變量進(jìn)行操作，操作完成后再將變量x寫回主內(nèi)，而對(duì)于B線程的也是類似的，這樣就有可能造成主內(nèi)存與工作內(nèi)存間數(shù)據(jù)存在一致性問(wèn)題，假如A線程修改完后正在將數(shù)據(jù)寫回主內(nèi)存，而B(niǎo)線程此時(shí)正在讀取主內(nèi)存，即將x=1拷貝到自己的工作內(nèi)存中，這樣B線程讀取到的值就是x=1，但如果A線程已將x=2寫回主內(nèi)存后，B線程才開(kāi)始讀取的話，那么此時(shí)B線程讀取到的就是x=2，但到底是哪種情況先發(fā)生呢？這是不確定的，這也就是所謂的線程安全問(wèn)題。  為了解決類似上述的問(wèn)題，JVM定義了一組規(guī)則，通過(guò)這組規(guī)則來(lái)決定一個(gè)線程對(duì)共享變量的寫入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見(jiàn)，這組規(guī)則也稱為Java內(nèi)存模型（即JMM），JMM是圍繞著程序執(zhí)行的原子性、有序性、可見(jiàn)性展開(kāi)的，下面我們看看這三個(gè)特性。 Java內(nèi)存模型的承諾這里我們先來(lái)了解幾個(gè)概念，即原子性？可見(jiàn)性？有序性？最后再闡明JMM是如何保證這3個(gè)特性。 原子性原子性指的是一個(gè)操作是不可中斷的，即使是在多線程環(huán)境下，一個(gè)操作一旦開(kāi)始就不會(huì)被其他線程影響。比如對(duì)于一個(gè)靜態(tài)變量int x，兩條線程同時(shí)對(duì)他賦值，線程A賦值為1，而線程B賦值為2，不管線程如何運(yùn)行，最終x的值要么是1，要么是2，線程A和線程B間的操作是沒(méi)有干擾的，這就是原子性操作，不可被中斷的特點(diǎn)。有點(diǎn)要注意的是，對(duì)于32位系統(tǒng)的來(lái)說(shuō)，long類型數(shù)據(jù)和double類型數(shù)據(jù)(對(duì)于基本數(shù)據(jù)類型，byte,short,int,float,boolean,char讀寫是原子操作)，它們的讀寫并非原子性的，也就是說(shuō)如果存在兩條線程同時(shí)對(duì)long類型或者double類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫是存在相互干擾的，因?yàn)閷?duì)于32位虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)，每次原子讀寫是32位的，而long和double則是64位的存儲(chǔ)單元，這樣會(huì)導(dǎo)致一個(gè)線程在寫時(shí)，操作完前32位的原子操作后，輪到B線程讀取時(shí)，恰好只讀取到了后32位的數(shù)據(jù)，這樣可能會(huì)讀取到一個(gè)既非原值又不是線程修改值的變量，它可能是“半個(gè)變量”的數(shù)值，即64位數(shù)據(jù)被兩個(gè)線程分成了兩次讀取。但也不必太擔(dān)心，因?yàn)樽x取到“半個(gè)變量”的情況比較少見(jiàn)，至少在目前的商用的虛擬機(jī)中，幾乎都把64位的數(shù)據(jù)的讀寫操作作為原子操作來(lái)執(zhí)行，因此對(duì)于這個(gè)問(wèn)題不必太在意，知道這么回事即可。 理解指令重排計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)，為了提高性能，編譯器和處理器的常常會(huì)對(duì)指令做重排，一般分以下3種 編譯器優(yōu)化的重排 編譯器在不改變單線程程序語(yǔ)義的前提下，可以重新安排語(yǔ)句的執(zhí)行順序。 指令并行的重排 現(xiàn)代處理器采用了指令級(jí)并行技術(shù)來(lái)將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性(即后一個(gè)執(zhí)行的語(yǔ)句無(wú)需依賴前面執(zhí)行的語(yǔ)句的結(jié)果)，處理器可以改變語(yǔ)句對(duì)應(yīng)的機(jī)器指令的執(zhí)行順序。 內(nèi)存系統(tǒng)的重排 由于處理器使用緩存和讀寫緩存沖區(qū)，這使得加載(load)和存儲(chǔ)(store)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行，因?yàn)槿?jí)緩存的存在，導(dǎo)致內(nèi)存與緩存的數(shù)據(jù)同步存在時(shí)間差。 其中編譯器優(yōu)化的重排屬于編譯期重排，指令并行的重排和內(nèi)存系統(tǒng)的重排屬于處理器重排，在多線程環(huán)境中，這些重排優(yōu)化可能會(huì)導(dǎo)致程序出現(xiàn)內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，下面分別闡明這兩種重排優(yōu)化可能帶來(lái)的問(wèn)題。 編譯器重排下面我們簡(jiǎn)單看一個(gè)編譯器重排的例子：
兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，分別有1、2、3、4四段執(zhí)行代碼，其中1、2屬于線程1 ， 3、4屬于線程2 ，從程序的執(zhí)行順序上看，似乎不太可能出現(xiàn)x1 = 1 和x2 = 2 的情況，但實(shí)際上這種情況是有可能發(fā)現(xiàn)的，因?yàn)槿绻幾g器對(duì)這段程序代碼執(zhí)行重排優(yōu)化后，可能出現(xiàn)下列情況，
這種執(zhí)行順序下就有可能出現(xiàn)x1 = 1 和x2 = 2 的情況，這也就說(shuō)明在多線程環(huán)境下，由于編譯器優(yōu)化重排的存在，兩個(gè)線程中使用的變量能否保證一致性是無(wú)法確定的。 處理器指令重排先了解一下指令重排的概念，處理器指令重排是對(duì)CPU的性能優(yōu)化，從指令的執(zhí)行角度來(lái)說(shuō)一條指令可以分為多個(gè)步驟完成，如下，
CPU在工作時(shí)，需要將上述指令分為多個(gè)步驟依次執(zhí)行(注意硬件不同有可能不一樣),由于每一個(gè)步會(huì)使用到不同的硬件操作，比如取指時(shí)會(huì)只有PC寄存器和存儲(chǔ)器，譯碼時(shí)會(huì)執(zhí)行到指令寄存器組，執(zhí)行時(shí)會(huì)執(zhí)行ALU(算術(shù)邏輯單元)、寫回時(shí)使用到寄存器組。為了提高硬件利用率，CPU指令是按流水線技術(shù)來(lái)執(zhí)行的，如下：  從圖中可以看出當(dāng)指令1還未執(zhí)行完成時(shí)，第2條指令便利用空閑的硬件開(kāi)始執(zhí)行，這樣做是有好處的，如果每個(gè)步驟花費(fèi)1ms，那么如果第2條指令需要等待第1條指令執(zhí)行完成后再執(zhí)行的話，則需要等待5ms，但如果使用流水線技術(shù)的話，指令2只需等待1ms就可以開(kāi)始執(zhí)行了，這樣就能大大提升CPU的執(zhí)行性能。雖然流水線技術(shù)可以大大提升CPU的性能，但不幸的是一旦出現(xiàn)流水中斷，所有硬件設(shè)備將會(huì)進(jìn)入一輪停頓期，當(dāng)再次彌補(bǔ)中斷點(diǎn)可能需要幾個(gè)周期，這樣性能損失也會(huì)很大，就好比工廠組裝手機(jī)的流水線，一旦某個(gè)零件組裝中斷，那么該零件往后的工人都有可能進(jìn)入一輪或者幾輪等待組裝零件的過(guò)程。因此我們需要盡量阻止指令中斷的情況，指令重排就是其中一種優(yōu)化中斷的手段，我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)闡明指令重排是如何阻止流水線技術(shù)中斷的,
下面通過(guò)匯編指令展示了上述代碼在CPU執(zhí)行的處理過(guò)程, 
上述便是匯編指令的執(zhí)行過(guò)程，在某些指令上存在X的標(biāo)志，X代表中斷的含義，也就是只要有X的地方就會(huì)導(dǎo)致指令流水線技術(shù)停頓，同時(shí)也會(huì)影響后續(xù)指令的執(zhí)行，可能需要經(jīng)過(guò)1個(gè)或幾個(gè)指令周期才可能恢復(fù)正常，那為什么停頓呢？這是因?yàn)椴糠謹(jǐn)?shù)據(jù)還沒(méi)準(zhǔn)備好，如執(zhí)行ADD指令時(shí)，需要使用到前面指令的數(shù)據(jù)R1，R2，而此時(shí)R2的MEM操作沒(méi)有完成，即未拷貝到存儲(chǔ)器中，這樣加法計(jì)算就無(wú)法進(jìn)行，必須等到MEM操作完成后才能執(zhí)行，也就因此而停頓了，其他指令也是類似的情況。前面闡述過(guò)，停頓會(huì)造成CPU性能下降，因此我們應(yīng)該想辦法消除這些停頓，這時(shí)就需要使用到指令重排了，如下圖，既然ADD指令需要等待，那我們就利用等待的時(shí)間做些別的事情，如把LW R4,e 和 LW R5,f 移動(dòng)到前面執(zhí)行，畢竟LW R4,e 和 LW R5,f執(zhí)行并沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，對(duì)他們有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的SUB R6,R5,R4指令在R4,R5加載完成后才執(zhí)行的，沒(méi)有影響，過(guò)程如下：  正如上圖所示，所有的停頓都完美消除了，指令流水線也無(wú)需中斷了，這樣CPU的性能也能帶來(lái)很好的提升，這就是處理器指令重排的作用。關(guān)于編譯器重排以及指令重排(這兩種重排我們后面統(tǒng)一稱為指令重排)相關(guān)內(nèi)容已闡述清晰了，我們必須意識(shí)到對(duì)于單線程而已指令重排幾乎不會(huì)帶來(lái)任何影響，比竟重排的前提是保證串行語(yǔ)義執(zhí)行的一致性，但對(duì)于多線程環(huán)境而已，指令重排就可能導(dǎo)致嚴(yán)重的程序輪序執(zhí)行問(wèn)題，如下,
如上述代碼，同時(shí)存在線程A和線程B對(duì)該實(shí)例對(duì)象進(jìn)行操作，其中A線程調(diào)用寫入方法，而B(niǎo)線程調(diào)用讀取方法，由于指令重排等原因，可能導(dǎo)致程序執(zhí)行順序變?yōu)槿缦拢?/p>
由于指令重排的原因，線程A的flag置為true被提前執(zhí)行了，而a賦值為1的程序還未執(zhí)行完，此時(shí)線程B，恰好讀取flag的值為true，直接獲取a的值（此時(shí)B線程并不知道a為0）并執(zhí)行i賦值操作，結(jié)果i的值為1，而不是預(yù)期的2，這就是多線程環(huán)境下，指令重排導(dǎo)致的程序亂序執(zhí)行的結(jié)果。因此，請(qǐng)記住，指令重排只會(huì)保證單線程中串行語(yǔ)義的執(zhí)行的一致性，但并不會(huì)關(guān)心多線程間的語(yǔ)義一致性。 可見(jiàn)性理解了指令重排現(xiàn)象后，可見(jiàn)性容易了，可見(jiàn)性指的是當(dāng)一個(gè)線程修改了某個(gè)共享變量的值，其他線程是否能夠馬上得知這個(gè)修改的值。對(duì)于串行程序來(lái)說(shuō)，可見(jiàn)性是不存在的，因?yàn)槲覀冊(cè)谌魏我粋€(gè)操作中修改了某個(gè)變量的值，后續(xù)的操作中都能讀取這個(gè)變量值，并且是修改過(guò)的新值。但在多線程環(huán)境中可就不一定了，前面我們分析過(guò)，由于線程對(duì)共享變量的操作都是線程拷貝到各自的工作內(nèi)存進(jìn)行操作后才寫回到主內(nèi)存中的，這就可能存在一個(gè)線程A修改了共享變量x的值，還未寫回主內(nèi)存時(shí)，另外一個(gè)線程B又對(duì)主內(nèi)存中同一個(gè)共享變量x進(jìn)行操作，但此時(shí)A線程工作內(nèi)存中共享變量x對(duì)線程B來(lái)說(shuō)并不可見(jiàn)，這種工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲現(xiàn)象就造成了可見(jiàn)性問(wèn)題，另外指令重排以及編譯器優(yōu)化也可能導(dǎo)致可見(jiàn)性問(wèn)題，通過(guò)前面的分析，我們知道無(wú)論是編譯器優(yōu)化還是處理器優(yōu)化的重排現(xiàn)象，在多線程環(huán)境下，確實(shí)會(huì)導(dǎo)致程序輪序執(zhí)行的問(wèn)題，從而也就導(dǎo)致可見(jiàn)性問(wèn)題。 有序性有序性是指對(duì)于單線程的執(zhí)行代碼，我們總是認(rèn)為代碼的執(zhí)行是按順序依次執(zhí)行的，這樣的理解并沒(méi)有毛病，畢竟對(duì)于單線程而言確實(shí)如此，但對(duì)于多線程環(huán)境，則可能出現(xiàn)亂序現(xiàn)象，因?yàn)槌绦蚓幾g成機(jī)器碼指令后可能會(huì)出現(xiàn)指令重排現(xiàn)象，重排后的指令與原指令的順序未必一致，要明白的是，在Java程序中，倘若在本線程內(nèi)，所有操作都視為有序行為，如果是多線程環(huán)境下，一個(gè)線程中觀察另外一個(gè)線程，所有操作都是無(wú)序的，前半句指的是單線程內(nèi)保證串行語(yǔ)義執(zhí)行的一致性，后半句則指指令重排現(xiàn)象和工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲現(xiàn)象。 JMM提供的解決方案在理解了原子性，可見(jiàn)性以及有序性問(wèn)題后，看看JMM是如何保證的，在Java內(nèi)存模型中都提供一套解決方案供Java工程師在開(kāi)發(fā)過(guò)程使用，如原子性問(wèn)題，除了JVM自身提供的對(duì)基本數(shù)據(jù)類型讀寫操作的原子性外，對(duì)于方法級(jí)別或者代碼塊級(jí)別的原子性操作，可以使用synchronized關(guān)鍵字或者重入鎖(ReentrantLock)保證程序執(zhí)行的原子性，關(guān)于synchronized的詳解，看博主另外一篇文章( 深入理解Java并發(fā)之synchronized實(shí)現(xiàn)原理)。而工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲現(xiàn)象導(dǎo)致的可見(jiàn)性問(wèn)題，可以使用synchronized關(guān)鍵字或者volatile關(guān)鍵字解決，它們都可以使一個(gè)線程修改后的變量立即對(duì)其他線程可見(jiàn)。對(duì)于指令重排導(dǎo)致的可見(jiàn)性問(wèn)題和有序性問(wèn)題，則可以利用volatile關(guān)鍵字解決，因?yàn)関olatile的另外一個(gè)作用就是禁止重排序優(yōu)化，關(guān)于volatile稍后會(huì)進(jìn)一步分析。除了靠sychronized和volatile關(guān)鍵字來(lái)保證原子性、可見(jiàn)性以及有序性外，JMM內(nèi)部還定義一套happens-before 原則來(lái)保證多線程環(huán)境下兩個(gè)操作間的原子性、可見(jiàn)性以及有序性。 理解JMM中的happens-before 原則倘若在程序開(kāi)發(fā)中，僅靠sychronized和volatile關(guān)鍵字來(lái)保證原子性、可見(jiàn)性以及有序性，那么編寫并發(fā)程序可能會(huì)顯得十分麻煩，幸運(yùn)的是，在Java內(nèi)存模型中，還提供了happens-before 原則來(lái)輔助保證程序執(zhí)行的原子性、可見(jiàn)性以及有序性的問(wèn)題，它是判斷數(shù)據(jù)是否存在競(jìng)爭(zhēng)、線程是否安全的依據(jù)，happens-before 原則內(nèi)容如下，
上述8條原則無(wú)需手動(dòng)添加任何同步手段(synchronized|volatile)即可達(dá)到效果，下面我們結(jié)合前面的案例演示這8條原則如何判斷線程是否安全，如下：
同樣的道理，存在兩條線程A和B，線程A調(diào)用實(shí)例對(duì)象的writer()方法，而線程B調(diào)用實(shí)例對(duì)象的read()方法，線程A先啟動(dòng)而線程B后啟動(dòng)，那么線程B讀取到的i值是多少呢？現(xiàn)在依據(jù)8條原則，由于存在兩條線程同時(shí)調(diào)用，因此程序次序原則不合適。writer()方法和read()方法都沒(méi)有使用同步手段，鎖規(guī)則也不合適。沒(méi)有使用volatile關(guān)鍵字，volatile變量原則不適應(yīng)。線程啟動(dòng)規(guī)則、線程終止規(guī)則、線程中斷規(guī)則、對(duì)象終結(jié)規(guī)則、傳遞性和本次測(cè)試案例也不合適。線程A和線程B的啟動(dòng)時(shí)間雖然有先后，但線程B執(zhí)行結(jié)果卻是不確定，也是說(shuō)上述代碼沒(méi)有適合8條原則中的任意一條，也沒(méi)有使用任何同步手段，所以上述的操作是線程不安全的，因此線程B讀取的值自然也是不確定的。修復(fù)這個(gè)問(wèn)題的方式很簡(jiǎn)單，要么給writer()方法和read()方法添加同步手段，如synchronized或者給變量flag添加volatile關(guān)鍵字，確保線程A修改的值對(duì)線程B總是可見(jiàn)。 volatile內(nèi)存語(yǔ)義volatile在并發(fā)編程中很常見(jiàn)，但也容易被濫用，現(xiàn)在我們就進(jìn)一步分析volatile關(guān)鍵字的語(yǔ)義。volatile是Java虛擬機(jī)提供的輕量級(jí)的同步機(jī)制。volatile關(guān)鍵字有如下兩個(gè)作用：
volatile的可見(jiàn)性關(guān)于volatile的可見(jiàn)性作用，我們必須意識(shí)到被volatile修飾的變量對(duì)所有線程總數(shù)立即可見(jiàn)的，對(duì)volatile變量的所有寫操作總是能立刻反應(yīng)到其他線程中，但是對(duì)于volatile變量運(yùn)算操作在多線程環(huán)境并不保證安全性，如下，
正如上述代碼所示，i變量的任何改變都會(huì)立馬反應(yīng)到其他線程中，但是如此存在多條線程同時(shí)調(diào)用increase()方法的話，就會(huì)出現(xiàn)線程安全問(wèn)題，畢竟i++;操作并不具備原子性，該操作是先讀取值，然后寫回一個(gè)新值，相當(dāng)于原來(lái)的值加上1，分兩步完成，如果第二個(gè)線程在第一個(gè)線程讀取舊值和寫回新值期間讀取i的域值，那么第二個(gè)線程就會(huì)與第一個(gè)線程一起看到同一個(gè)值，并執(zhí)行相同值的加1操作，這也就造成了線程安全失敗，因此對(duì)于increase方法必須使用synchronized修飾，以便保證線程安全，需要注意的是一旦使用synchronized修飾方法后，由于synchronized本身也具備與volatile相同的特性，即可見(jiàn)性，因此在這樣種情況下就完全可以省去volatile修飾變量。
現(xiàn)在來(lái)看另外一種場(chǎng)景，可以使用volatile修飾變量達(dá)到線程安全的目的，如下，
由于對(duì)于boolean變量close值的修改屬于原子性操作，因此可以通過(guò)使用volatile修飾變量close，使用該變量對(duì)其他線程立即可見(jiàn)，從而達(dá)到線程安全的目的。那么JMM是如何實(shí)現(xiàn)讓volatile變量對(duì)其他線程立即可見(jiàn)的呢？實(shí)際上，當(dāng)寫一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存中，當(dāng)讀取一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)存置為無(wú)效，那么該線程將只能從主內(nèi)存中重新讀取共享變量。volatile變量正是通過(guò)這種寫-讀方式實(shí)現(xiàn)對(duì)其他線程可見(jiàn)（但其內(nèi)存語(yǔ)義實(shí)現(xiàn)則是通過(guò)內(nèi)存屏障，稍后會(huì)說(shuō)明）。 volatile禁止重排優(yōu)化volatile關(guān)鍵字另一個(gè)作用就是禁止指令重排優(yōu)化，從而避免多線程環(huán)境下程序出現(xiàn)亂序執(zhí)行的現(xiàn)象，關(guān)于指令重排優(yōu)化前面已詳細(xì)分析過(guò)，這里主要簡(jiǎn)單說(shuō)明一下volatile是如何實(shí)現(xiàn)禁止指令重排優(yōu)化的。先了解一個(gè)概念，內(nèi)存屏障(Memory Barrier）。 內(nèi)存屏障，又稱內(nèi)存柵欄，是一個(gè)CPU指令，它的作用有兩個(gè)，一是保證特定操作的執(zhí)行順序，二是保證某些變量的內(nèi)存可見(jiàn)性（利用該特性實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存可見(jiàn)性）。由于編譯器和處理器都能執(zhí)行指令重排優(yōu)化。如果在指令間插入一條Memory Barrier則會(huì)告訴編譯器和CPU，不管什么指令都不能和這條Memory Barrier指令重排序，也就是說(shuō)通過(guò)插入內(nèi)存屏障禁止在內(nèi)存屏障前后的指令執(zhí)行重排序優(yōu)化。Memory Barrier的另外一個(gè)作用是強(qiáng)制刷出各種CPU的緩存數(shù)據(jù)，因此任何CPU上的線程都能讀取到這些數(shù)據(jù)的最新版本?？傊?，volatile變量正是通過(guò)內(nèi)存屏障實(shí)現(xiàn)其在內(nèi)存中的語(yǔ)義，即可見(jiàn)性和禁止重排優(yōu)化。下面看一個(gè)非常典型的禁止重排優(yōu)化的例子DCL，如下：
上述代碼一個(gè)經(jīng)典的單例的雙重檢測(cè)的代碼，這段代碼在單線程環(huán)境下并沒(méi)有什么問(wèn)題，但如果在多線程環(huán)境下就可以出現(xiàn)線程安全問(wèn)題。原因在于某一個(gè)線程執(zhí)行到第一次檢測(cè)，讀取到的instance不為null時(shí)，instance的引用對(duì)象可能沒(méi)有完成初始化。因?yàn)閕nstance = new DoubleCheckLock();可以分為以下3步完成(偽代碼)
由于步驟1和步驟2間可能會(huì)重排序，如下：
由于步驟2和步驟3不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，而且無(wú)論重排前還是重排后程序的執(zhí)行結(jié)果在單線程中并沒(méi)有改變，因此這種重排優(yōu)化是允許的。但是指令重排只會(huì)保證串行語(yǔ)義的執(zhí)行的一致性(單線程)，但并不會(huì)關(guān)心多線程間的語(yǔ)義一致性。所以當(dāng)一條線程訪問(wèn)instance不為null時(shí)，由于instance實(shí)例未必已初始化完成，也就造成了線程安全問(wèn)題。那么該如何解決呢，很簡(jiǎn)單，我們使用volatile禁止instance變量被執(zhí)行指令重排優(yōu)化即可。 //禁止指令重排優(yōu)化 private volatile static DoubleCheckLock instance; ok~，到此相信我們對(duì)Java內(nèi)存模型和volatile應(yīng)該都有了比較全面的認(rèn)識(shí)，總而言之，我們應(yīng)該清楚知道，JMM就是一組規(guī)則，這組規(guī)則意在解決在并發(fā)編程可能出現(xiàn)的線程安全問(wèn)題，并提供了內(nèi)置解決方案（happen-before原則）及其外部可使用的同步手段(synchronized/volatile等)，確保了程序執(zhí)行在多線程環(huán)境中的應(yīng)有的原子性，可視性及其有序性。 |
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