Java內(nèi)存模型

　　在講三大特性之前先簡單介紹一下Java內(nèi)存模型(Java Memory Model，簡稱JMM)，了解了Java內(nèi)存模型以后，可以更好地理解三大特性。

　　Java內(nèi)存模型是一種抽象的概念，并不是真實(shí)存在的，它描述的是一組規(guī)范或者規(guī)定。JVM運(yùn)行程序的實(shí)體是線程，每一個線程都有自己私有的工作內(nèi)存。Java內(nèi)存模型中規(guī)定了所有變量都存儲在主內(nèi)存中，主內(nèi)存是一塊共享內(nèi)存區(qū)域，所有線程都可以訪問。但是線程對變量的讀取賦值等操作必須在自己的工作內(nèi)存中進(jìn)行，在操作之前先把變量從主內(nèi)存中復(fù)制到自己的工作內(nèi)存中，然后對變量進(jìn)行操作，操作完成后再把變量寫回主內(nèi)存。線程不能直接操作主內(nèi)存中的變量，線程的工作內(nèi)存中存放的是主內(nèi)存中變量的副本。

　　原子性(Atomicity)

　　原子性是指：在一次或者多次操作時，要么所有操作都被執(zhí)行，要么所有操作都不執(zhí)行。

　　一般說到原子性都會以銀行轉(zhuǎn)賬作為例子，比如張三向李四轉(zhuǎn)賬100塊錢，這包含了兩個原子操作：在張三的賬戶上減少100塊錢;在李四的賬戶上增加100塊錢。這兩個操作必須保證原子性的要求，要么都執(zhí)行成功，要么都執(zhí)行失敗。不能出現(xiàn)張三的賬戶減少100塊錢而李四的賬戶沒增加100塊錢，也不能出現(xiàn)張三的賬戶沒減少100塊錢而李四的賬戶卻增加100塊錢。舉例如下：

　　示例一

　　i = 1;

　　根據(jù)上面介紹的Java內(nèi)存模型，線程先把i=1寫入工作內(nèi)存中，然后再把它寫入主內(nèi)存，就此賦值語句可以說是具有原子性。

　　示例二

　　i = j;

　　這個賦值操作實(shí)際上包含兩個步驟：線程從主內(nèi)存中讀取j的值，然后把它存入當(dāng)前線程的工作內(nèi)存中;線程把工作內(nèi)存中的i改為j的值，然后把i的值寫入主內(nèi)存中。雖然這兩個步驟都是原子性的操作，但是合在一起就不是原子性的操作。

　　示例三

　　i++;

　　這個自增操作實(shí)際上包含三個步驟：線程從主內(nèi)存中讀取i的值，然后把它存入當(dāng)前線程的工作內(nèi)存中;線程把工作內(nèi)存中的i執(zhí)行加1操作;線程再把i的值寫入主內(nèi)存中。和上一個示例一樣，雖然這三個步驟都是原子性的操作，但是合在一起就不是原子性的操作。

　　從上面三個示例中，我們可以發(fā)現(xiàn)：簡單的讀取和賦值操作是原子性的，但把一個變量賦值給另一個變量就不是原子性的了;多個原子性的操作放在一起也不是原子性的。

　　如何保證原子性

　　在Java內(nèi)存模型中，只保證了基本讀取和賦值的原子性操作。如果想保證多個操作的原子性，需要使用synchronized關(guān)鍵字或者Lock相關(guān)的工具類。如果想要使int、long等類型的自增操作具有原子性，可以用java.util.concurrent.atomic包下的工具類，如：AtomicInteger、AtomicLong等。另外需要注意的是，volatile關(guān)鍵字不具有保證原子性的語義。

　　可見性(Visibility)

　　什么是可見性

　　可見性是指：當(dāng)一個線程對共享變量進(jìn)行修改后，另外一個線程可以立即看到該變量修改后的最新值。

　　如何保證可見性

　　在Java中可以用以下3種方式保證可見性。

　　使用volatile關(guān)鍵字

　　當(dāng)一個變量被volatile關(guān)鍵字修飾時，其他線程對該變量進(jìn)行了修改后，會導(dǎo)致當(dāng)前線程在工作內(nèi)存中的變量副本失效，必須從主內(nèi)存中再次獲取，當(dāng)前線程修改工作內(nèi)存中的變量后，同時也會立刻將其修改刷新到主內(nèi)存中。

　　使用synchronized關(guān)鍵字

　　synchronized關(guān)鍵字能夠保證同一時刻只有一個線程獲得鎖，然后執(zhí)行同步方法或者代碼塊，并且確保在鎖釋放之前，會把變量的修改刷新到主內(nèi)存中。

　　使用Lock相關(guān)的工具類

　　Lock相關(guān)的工具類的lock方法能夠保證同一時刻只有一個線程獲得鎖，然后執(zhí)行同步代碼塊，并且確保執(zhí)行Lock相關(guān)的工具類的unlock方法在之前，會把變量的修改刷新到主內(nèi)存中。

　　有序性(Ordering)

　　什么是有序性

　　有序性指的是：程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

　　在Java中，為了提高程序的運(yùn)行效率，可能在編譯期和運(yùn)行期會對代碼指令進(jìn)行一定的優(yōu)化，不會百分之百的保證代碼的執(zhí)行順序嚴(yán)格按照編寫代碼中的順序執(zhí)行，但也不是隨意進(jìn)行重排序，它會保證程序的最終運(yùn)算結(jié)果是編碼時所期望的。這種情況被稱之為指令重排(Instruction Reordering)。

　　如何保證有序性

　　這里就要提到Java內(nèi)存模型的一個叫做先行發(fā)生(Happens-Before)的原則了。如果兩個操作的執(zhí)行順序無法從Happens-Before原則推到出來，那么可以對它們進(jìn)行隨意的重排序處理了。Happens-Before原則有哪些呢?

　　程序次序原則：一段代碼在單線程中執(zhí)行的結(jié)果是有序的。

　　鎖定原則：一個鎖處于被鎖定狀態(tài)，那么必須先執(zhí)行unlock操作后面才能進(jìn)行l(wèi)ock操作。

　　volatile變量原則：同時對volatile變量進(jìn)行讀寫操作，寫操作一定先于讀操作。

　　線程啟動原則：Thread對象的start方法先于此線程的每一個動作。

　　線程終結(jié)原則：線程中的所有操作都先于對此線程的終止檢測。

　　線程中斷原則：對線程interrupt方法的調(diào)用先于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生。

　　對象終結(jié)原則：一個對象的初始化完成先于它的finalize方法的開始。

　　傳遞原則：操作A先于操作B，操作B先于操作C，那么操作A一定先于操作C。

　　除了Happens-Before原則提供的天然有序性，我們還可以用以下幾種方式保證有序性：

　　使用volatile關(guān)鍵字保證有序性。

　　使用synchronized關(guān)鍵字保證有序性。

　　使用Lock相關(guān)的工具類保證有序性。

　　總結(jié)

　　原子性：在一次或者多次操作時，要么所有操作都被執(zhí)行，要么所有操作都不執(zhí)行。

　　可見性：當(dāng)一個線程對共享變量進(jìn)行修改后，另外一個線程可以立即看到該變量修改后的最新值。

　　有序性：程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

　　synchronized關(guān)鍵字和Lock相關(guān)的工具類可以保證原子性、可見性和有序性，volatile關(guān)鍵字可以保證可見性和有序性，不能保證原子性。

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