物理計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)中的并發(fā)問題。由于處理器的與存儲設(shè)置的運(yùn)算速度有幾個數(shù)量級的差距，所以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(yùn)算需要使用到的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中，讓運(yùn)算能快速進(jìn)行，當(dāng)運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jì)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(jì)算的先后順序與輸入代碼中的一致，因此， 如果存在一個計(jì)算任務(wù)依賴另一個計(jì)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(jì)算機(jī)的主內(nèi)存名字一樣，可以類比，但此處僅是虛擬機(jī)內(nèi)存的一部分)，這里的變量包括實(shí)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?yàn)楹笳呤蔷€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(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。虛擬機(jī)在實(shí)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(dú)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(jī)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(jī)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(shí)時use和store之前必須先執(zhí)行過assign和load操作