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主内存与工作内存

Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型(Java Memory Model,JMM) 来屏蔽硬件和操作系统的内存访问的差异，以实现Java在不同平台都能达到一致的内存访问效果。

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以及从内存中取出变量的底层细节。

Java内存模型规定所有的变量都存储在主内存，每个线程都有自己的工作内存，线程的工作内存中保存着本线程使用变量的主内存数据副本；线程对变量的所有操作(读取，复制)都在工作内存中进行，不能直接在主内存中进行；并且线程之间是相互隔离的，一个线程不能访问其他线程工作内存的变量；线程之间的变量值传递都需要通过主内存来传递；可以参考以下示意图：

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内存间交互

工作内存与主内存之间具体的交互协议，即具体的主内存复制到工作内存，工作内存同步到主内存的实现细节，Java内存模型定义了8种操作来完成：

  • lock 锁定:作用于主内存的变量，它把变量标识为一个线程独占的状态

  • unlock解锁 :作用于主内存的变量，它把一个锁定状态的线程释放出来，释放出来后的变量才能被其他线程锁定

  • read读取：作用于主内存的变量，它把一个变量的值由主内存传输到工作内存，以便后续load

  • load加载：作用于工作内存的变量，它把read获取到的变量值放入到工作内存的变量副本中

  • use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变量的字节码时会执行此操作

  • assign赋值：作用于工作内存的变量，它把从执行引擎获取到的变量值赋值给工作内存，每当虚拟机遇到变量赋值的字节码时会执行此操作

  • store存储：作用于工作内存的变量，它把工作内存的变量值传递给主内存，以便后续write操作使用

  • write写入：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中获取的值，写入到主内存的变量中

Java内存模型同时还规定了8种操作必须满足以下规则：

1.read-load，store-write 指令，不能单独出现，并且还需要满足顺序性

2.线程变量assign后，必须同步给主内存

3.不允许无原因的进行同步操作，即没有工作内存执行assign操作，而发起向主内存的同步

4.新的变量只能在主内存中诞生

5.一个变量同一时刻，只允许一个线程lock

6.变量没有执行lock，不允许执行unlock

7.执行unlock前，必选先把变量值同步给主内存

8.lock变量时，会清除工作内存变量值，在执行引擎使用变量前要重新load或assign

基于理解难度与严谨性考虑JSR133文档中，已经放弃使用这8种操作去定义Java内存访问协议(描述方式改变了，内存模型没有改变)

happens-before 先行发生原则

happens-before 是Java内存模型保证多线程操作可见性的机制；它具体的表现形式包括我们但是不限于 synchronized、volatile、lock 操作顺序等方面；具体如下：

  • Programm Order Rule程序次序规则 ：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的代码先行发生于书写在后面的操作

  • Monitor Lock Rule 管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作；这里强调是同一个锁

  • Volatile Veriable RuleVolatile变量规则：对一个Volatile变量的写操作先行发生于后面对该变量的读操作

  • Thread Start Rule线程启动规则：Thread对象的start()先行发生于该线程所有其他操作

  • Thread Terminal Rule线程终止规则：线程所有的操作都先行发生于该线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束，Thread.isAlive()的返回值检测到线程是否已终止

  • Thread Interruption Rule线程中断规则：interrput方法的调用先行发生于该线程代码检测到中断事件发生，可以利用Thread.interrupted()检测是否有中断发生

  • Finalizer Rule对象终结规则：一个对象的初始化先行发生于finlize()方法之前

  • Transtivity传递性：如果A先行发生于B，B先行发生于C；那么A先行发生于C，具有传递性