硬件的效率与一致性

物理机遇到的并发问题与虚拟机中的情况有不少相似之处，物理机对并发的处理方案对虚拟机的实现也有相当大的参考意义。

基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也引入了新的问题：缓存一致性。JAVA虚拟机内存模型中定义的内存访问操作与硬件的缓存访问操作是具有可比性的。

 

除此之外，为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对编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，来保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但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于另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似，JAVA虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序优化。

JAVA内存模型：概述

JAVA虚拟机规范试图定义一种JAVA内存模型（JMM）来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让JAVA程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。而C/C++直接使用物理硬件或者操作系统的内存模型，因此会由于不同平台上内存模型的差异，进而导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发访问却经常出错。

JAVA内存模型，必须定义得足够严谨才能让JAVA的并发操作不会产生歧义，但也必须足够宽松使得虚拟机的实现能有足够的*空间去利用硬件的各种特性来获取更好的执行速度。

说明：

①寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果。

②高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器， 由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度。

JAVA内存模型：主内存与工作内存

JAVA内存模型的主要目标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、从内存中取出变量这样的底层细节。这里的变量包括了实例字段、静态字段、构成数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，因为局部变量和方法参数是线程私有的，不会被共享，自然就不存在竞争问题。

为了获得较好的执行效能，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、缓存来和主内存进行交互，也没有限制即时编译器调整代码执行顺序这类权利。

JAVA内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中（这里的主内存可以类比于物理内存条，但此处主内存仅仅是虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存（可以类比于处理器高速缓存），线程的工作内存中保存了被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必须通过主内存来完成。

 

这里所讲的主内存、工作内存，与JAVA堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存划分。如果两者一定要勉强对应起来，从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于JAVA堆中对象的实例数据部分，工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低层次来说，主内存就是硬件内存，而工作内存优先存储在寄存器和高速缓存中。

JAVA内存模型：内存间交互操作

主内存与工作内存之间的交互协议，JAVA内存模型定义了8种操作来完成，这8种操作每一种都是原子不可再分的操作：

①lock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。

②unlock解锁：作用于主内存的变量，它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。

③read读取：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load使用。

④load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。

⑤use使用：作用于工作内存的变量，它把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到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

⑥assign赋值：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当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。

⑦store存储：作用于工作内存的变量，它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。

⑧write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。

JAVA内存模型只要求read-load和store-write操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行，这就意味着read与load之间、store与write之间是可以插入其他指令的。除此之外，JAVA内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足8条规则：

①不允许read-load、store-write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者，从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。

②不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后就必须把该变化同步回主内存。

③不允许一个线程无原因的（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。

④一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，即对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。

⑤一个变量在同一个时刻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。

⑥如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作来初始化变量的值。

⑦如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。

⑧对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行sotre和write操作）。

JAVA内存模型：对于volatile型变量的特殊规则

关键字volatile可以说是JAVA虚拟机提供的最轻量级的同步机制。JAVA内存模型对volatile专门定义了一些特殊的访问规则。

当一个变量被定义成volatile之后，该变量将具备2种特性：①保证此变量对所有线程的可见性，即当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的，而普通变量不能做到这一点，变量值在线程间传递均需要通过主内存来完成。Volatile变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题（在各个线程的工作内存中volatile变量也可以存在不一致的情况，只是由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看不到不一致的情况，因此可以认为不存在一致性问题），但是JAVA里面的运算并非原子操作，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。

由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下2条规则的运算场景中，我们必须通过加锁来保证其原子性：

1.运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一线程修改变量的值。

2.变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

②volatile变量的第2个语义就是禁止指令重排序优化。普通变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中执行顺序一致。