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Java内存模型FAQ（一） 什么是内存模型
Java内存模型FAQ（一） 什么是内存模型
原文： 第一章 译者：方腾飞
在多核系统中，处理器一般有一层或者多层的缓存，这些的缓存通过加速数据访问（因为数据距离处理器更近）和降低共享内存在总线上的通讯（因为本地缓存能够满足许多内存操作）来提高CPU性能。缓存能够大大提升性能，但是它们也带来了许多挑战。例如，当两个CPU同时检查相同的内存地址时会发生什么？在什么样的条件下它们会看到相同的值？
在处理器层面上，内存模型定义了一个充要条件，“让当前的处理器可以看到其他处理器写入到内存的数据”以及“其他处理器可以看到当前处理器写入到内存的数据”。有些处理器有很强的内存模型(strong memory model)，能够让所有的处理器在任何时候任何指定的内存地址上都可以看到完全相同的值。而另外一些处理器则有较弱的内存模型（weaker memory model），在这种处理器中，必须使用内存屏障（一种特殊的指令）来刷新本地处理器缓存并使本地处理器缓存无效，目的是为了让当前处理器能够看到其他处理器的写操作或者让其他处理器能看到当前处理器的写操作。这些内存屏障通常在lock和unlock操作的时候完成。内存屏障在高级语言中对程序员是不可见的。
在强内存模型下，有时候编写程序可能会更容易，因为减少了对内存屏障的依赖。但是即使在一些最强的内存模型下，内存屏障仍然是必须的。设置内存屏障往往与我们的直觉并不一致。近来处理器设计的趋势更倾向于弱的内存模型，因为弱内存模型削弱了缓存一致性，所以在多处理器平台和更大容量的内存下可以实现更好的可伸缩性
“一个线程的写操作对其他线程可见”这个问题是因为编译器对代码进行重排序导致的。例如，只要代码移动不会改变程序的语义，当编译器认为程序中移动一个写操作到后面会更有效的时候，编译器就会对代码进行移动。如果编译器推迟执行一个操作，其他线程可能在这个操作执行完之前都不会看到该操作的结果，这反映了缓存的影响。
此外，写入内存的操作能够被移动到程序里更前的时候。在这种情况下，其他的线程在程序中可能看到一个比它实际发生更早的写操作。所有的这些灵活性的设计是为了通过给编译器，运行时或硬件灵活性使其能在最佳顺序的情况下来执行操作。在内存模型的限定之内，我们能够获取到更高的性能。
看下面代码展示的一个简单例子：
ClassReordering {
int x = 0, y = 0;
public void writer() {
public void reader() {
让我们看在两个并发线程中执行这段代码，读取Y变量将会得到2这个值。因为这个写入比写到X变量更晚一些，程序员可能认为读取X变量将肯定会得到1。但是，写入操作可能被重排序过。如果重排序发生了，那么，就能发生对Y变量的写入操作，读取两个变量的操作紧随其后，而且写入到X这个操作能发生。程序的结果可能是r1变量的值是2，但是r2变量的值为0。
Java内存模型描述了在多线程代码中哪些行为是合法的，以及线程如何通过内存进行交互。它描述了“程序中的变量“ 和 ”从内存或者寄存器获取或存储它们的底层细节”之间的关系。Java内存模型通过使用各种各样的硬件和编译器的优化来正确实现以上事情。
Java包含了几个语言级别的关键字，包括：volatile, final以及synchronized，目的是为了帮助程序员向编译器描述一个程序的并发需求。Java内存模型定义了volatile和synchronized的行为，更重要的是保证了同步的java程序在所有的处理器架构下面都能正确的运行。
What is a memory model, anyway?
In multiprocessor systems, processors generally have one or more layers of memory cache, which improves performance both by speeding access to data (because the data is closer to the processor) and reducing traffic on the shared memory bus (because many memory operations can be satisfied by local caches.) Memory caches can improve performance tremendously, but they present a host of new challenges. What, for example, happens when two processors examine the same memory location at the same time? Under what conditions will they see the same value?
At the processor level, a memory model defines necessary and sufficient conditions for knowing that writes to memory by other processors are visible to the current processor, and writes by the current processor are visible to other processors. Some processors exhibit a strong memory model, where all processors see exactly the same value for any given memory location at all times. Other processors exhibit a weaker memory model, where special instructions, called memory barriers, are required to flush or invalidate the local processor cache in order to see writes made by other processors or make writes by this processor visible to others. These memory barriers are usually performed when lock and unlo they are invisible to programmers in a high level language.
It can sometimes be easier to write programs for strong memory models, because of the reduced need for memory barriers. However, even on some of the strongest memory models, memory barriers quite frequently their placement is counterintuitive. Recent trends in processor design have encouraged weaker memory models, because the relaxations they make for cache consistency allow for greater scalability across multiple processors and larger amounts of memory.
The issue of when a write becomes visible to another thread is compounded by the compiler’s reordering of code. For example, the compiler might decide that it is more efficient to move a write operation
as long as this code motion does not change the program’s semantics, it is free to do so.
If a compiler defers an operation, another thread will not see it u this mirrors the effect of caching.
Moreover, writes to memory can be moved
in this case, other threads might see a write before it actually “occurs” in the program.
All of this flexibility is by design — by giving the compiler, runtime, or hardware the flexibility to execute operations in the optimal order, within the bounds of the memory model, we can achieve higher performance.
A simple example of this can be seen in the following code:
Class Reordering {
int x = 0, y = 0;
public void writer() {
public void reader() {
Let’s say that this code is executed in two threads concurrently, and the read of y sees the value 2. Because this write came after the write to x, the programmer might assume that the read of x must see the value 1. However, the writes may have been reordered. If this takes place, then the write to y could happen, the reads of both variables could follow, and then the write to x could take place. The result would be that r1 has the value 2, but r2 has the value 0.
The Java Memory Model describes what behaviors are legal in multithreaded code, and how threads may interact through memory. It describes the relationship between variables in a program and the low-level details of storing and retrieving them to and from memory or registers in a real computer system. It does this in a way that can be implemented correctly using a wide variety of hardware and a wide variety of compiler optimizations.
Java includes several language constructs, including volatile, final, and synchronized, which are intended to help the programmer describe a program’s concurrency requirements to the compiler. The Java Memory Model defines the behavior of volatile and synchronized, and, more importantly, ensures that a correctly synchronized Java program runs correctly on all processor architectures.
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花名清英，并发网()创始人，畅销书《Java并发编程的艺术》作者，蚂蚁金服技术专家。目前工作于支付宝微贷事业部，关注互联网金融，并发编程和敏捷实践。微信公众号aliqinying。
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这样设计的好处是，当线程访问数据时，可以字节从自己的地址空间中获取，JVM为此会为此优化性能，最大限度的利用当前CPU的缓存，从缓存中访问数据，这些数据，会不定期的写入主存中，但什么时候写入，是由JVM控制的，在不加同步的情况下，外界无法直接干预。上述的介绍不好理解，我们可以将JVM看成一个共同开发软件的团队，这个团队中，有一部分人负责界面开发，一部分人负责后台业务的开发，大家可以使用SVN共同访问整个软件项目的代码，从SVN中下载代码，完成自己负责的功能后，将代码提交到SVN中。在这里SVN相当于Java内存模型中的主存，由专人维护，开发人员不能干预。而每个人的个人PC，相当于java中的一个线程（人是用来干活的，线程也是）每个人PC中的代码，相当于线程的工作内存，每个人只下载与自己相关的代码，进行修改后，提交到svn中，这个步骤相当于，线程进行执行，完成执行后，将对于共享内存中的修改，提交到共享内存中。加入A和B两个人，同时修改同一段代码，会有如下问题：1. A下载代码2. A修改代码（注意，这时还没有提交）3. B下载代码（旧的代码）4. B修改代码5. A提交代码6. B提交代码（发生冲突）在第6部，因为A和B同时修改了同一套代码，又没有进行并发控制，导致冲突，在这里B可能覆盖了A的代码，导致A的工作白做了这里，第3不，B下载的是旧代码，相当于线程可见性的问题，线程B，无法看到线程A修改的数据如果按照下面的方式进行工作，可以避免上述问题：1. A先声明自己要修改代码，并锁定代码2. A下载代码，修改后提交3. A对代码进行解锁4. B声明自己要修改代码，并锁定代码5. B下载代码，修改后提交6. B对代码进行解锁这样，多线程的问题，就被解决了，带来的问题就是B必须等待A完成任务后，才能继续干活，同步降低了系统执行性能，但却让系统运行更加安全
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历史上的今天
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blogTitle:'我对于Java内存模型和并发问题的理解',
blogAbstract:'网上很多资料都介绍，java内存模型分为主存和线程的工作内存两部分。主存由JVM统一维护是共享的，线程的工作内存保存在线程自己的地址空间中，只有自己的线程可以访问。这样设计的好处是，当线程访问数据时，可以字节从自己的地址空间中获取，JVM为此会为此优化性能，最大限度的利用当前CPU的缓存，从缓存中访问数据，这些数据，会不定期的写入主存中，但什么时候写入，是由JVM控制的，在不加同步的情况下，外界无法直接干预。上述的介绍不好理解，我们可以将JVM看成一个共同开发软件的团队，这个团队中，有一部分人负责界面开发，一部分人负责后台业务的开发，大家可以使用SVN共同访问整个软件项目的代码，从SVN中下载代码，完成自己负责的功能后，将代码提交到SVN中。在这里SVN相当于Java内存模型中的主存，由专人维护，开发人员不能干预。',
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　　一、Java把内存划分成两种：一种是栈内存，一种是。
　　栈内存：
　　存放对象：函数中基本类型的变量和对象的、静态类方法
　　特点：栈有一个很重要的特殊性，就是存在栈中的数据可以共享。假设我们同时定义：
　　int a = 3;
　　int b = 3；
　　先处理int a = 3；首先它会在栈中创建一个为a的引用，然后查找栈中是否有3这个值，如果没找到，就将3存放进来，然后将a指向3。接着处理int b = 3；在创建完b的引用变量后，因为在栈中已经有3这个值，便将b直接指向3。这样，就出现了a与b同时均指向3的情况。
　　堆内存：
　　存放对象：用来存放由new创建的对象和。
　　特点：在堆中分配的内存，由Java的自动器来管理。
　　在堆中产生了一个数组或对象后，还可以在栈中定义一个特殊的变量，让栈中这个变量的取值等于数组或对象在堆内存中的首地址，栈中的这个变量就成了数组或对象的引用变量。引用变量就相当于是为数组或对象起的一个名称，以后就可以在程序中使用栈中的引用变量来访问堆中的数组或对象。
　　二、java 内存模型 ( java memory model )
　　根据 Specification中的说明, jvm系统中存在一个主内存(Main Memory或Java Heap Memory)，Java中所有变量都储存在主存中，对于所有线程都是共享的。
　　每条线程都有自己的工作内存(Working Memory)，工作内存中保存的是主存中某些变量的拷贝，线程对所有变量的操作都是在工作内存中进行，线程之间无法相互直接访问，变量传递均需要通过主存完成。
　　(1) 获取对象监视器的锁(lock)
　　(2) 清空工作内存数据, 从主存复制变量到当前工作内存, 即同步数据 (read and load)
　　(3) 执行代码，改变共享变量值 (use and assign)
　　(4) 将工作内存数据刷回主存 (store and write)
　　(5) 释放对象监视器的锁 (unlock)
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Java高级技术（12）
架构设计（3）
Java内存模型即Java Memory Model，简称JMM。JMM定义了Java 虚拟机(JVM)在计算机内存(RAM)中的工作方式。JVM是整个计算机虚拟模型，所以JMM是隶属于JVM的。
如果我们要想深入了解Java并发编程，就要先理解好Java内存模型。Java内存模型定义了多线程之间共享变量的可见性以及如何在需要的时候对共享变量进行同步。原始的Java内存模型效率并不是很理想，因此Java1.5版本对其进行了重构，现在的Java8仍沿用了Java1.5的版本。
关于并发编程
在并发编程领域，有两个关键问题：线程之间的通信和同步。
线程之间的通信
线程的通信是指线程之间以何种机制来交换信息。在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种共享内存和消息传递。
在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信，典型的共享内存通信方式就是通过共享对象进行通信。
在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信，在java中典型的消息传递方式就是wait()和notify()。
关于Java线程之间的通信，可以参考。
线程之间的同步
同步是指程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。
在共享内存并发模型里，同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行。
在消息传递的并发模型里，由于消息的发送必须在消息的接收之前，因此同步是隐式进行的。
Java的并发采用的是共享内存模型
Java线程之间的通信总是隐式进行，整个通信过程对程序员完全透明。如果编写多线程程序的Java程序员不理解隐式进行的线程之间通信的工作机制，很可能会遇到各种奇怪的内存可见性问题。
Java内存模型
上面讲到了Java线程之间的通信采用的是过共享内存模型，这里提到的共享内存模型指的就是Java内存模型(简称JMM)，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存，写缓冲区，寄存器以及其他的硬件和编译器优化。
从上图来看，线程A与线程B之间如要通信的话，必须要经历下面2个步骤：
1. 首先，线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
2. 然后，线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。
下面通过示意图来说明这两个步骤：
如上图所示，本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本。假设初始时，这三个内存中的x值都为0。线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中，此时主内存中的x值变为了1。随后，线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1。
从整体来看，这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息，而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为java程序员提供内存可见性保证。
上面也说到了，Java内存模型只是一个抽象概念，那么它在Java中具体是怎么工作的呢？为了更好的理解上Java内存模型工作方式，下面就JVM对Java内存模型的实现、硬件内存模型及它们之间的桥接做详细介绍。
JVM对Java内存模型的实现
在JVM内部，Java内存模型把内存分成了两部分：线程栈区和堆区，下图展示了Java内存模型在JVM中的逻辑视图：
JVM中运行的每个线程都拥有自己的线程栈，线程栈包含了当前线程执行的方法调用相关信息，我们也把它称作调用栈。随着代码的不断执行，调用栈会不断变化。
线程栈还包含了当前方法的所有本地变量信息。一个线程只能读取自己的线程栈，也就是说，线程中的本地变量对其它线程是不可见的。即使两个线程执行的是同一段代码，它们也会各自在自己的线程栈中创建本地变量，因此，每个线程中的本地变量都会有自己的版本。
所有原始类型(boolean,byte,short,char,int,long,float,double)的本地变量都直接保存在线程栈当中，对于它们的值各个线程之间都是独立的。对于原始类型的本地变量，一个线程可以传递一个副本给另一个线程，当它们之间是无法共享的。
堆区包含了Java应用创建的所有对象信息，不管对象是哪个线程创建的，其中的对象包括原始类型的封装类（如Byte、Integer、Long等等）。不管对象是属于一个成员变量还是方法中的本地变量，它都会被存储在堆区。
下图展示了调用栈和本地变量都存储在栈区，对象都存储在堆区：
一个本地变量如果是原始类型，那么它会被完全存储到栈区。
一个本地变量也有可能是一个对象的引用，这种情况下，这个本地引用会被存储到栈中，但是对象本身仍然存储在堆区。
对于一个对象的成员方法，这些方法中包含本地变量，仍需要存储在栈区，即使它们所属的对象在堆区。
对于一个对象的成员变量，不管它是原始类型还是包装类型，都会被存储到堆区。
Static类型的变量以及类本身相关信息都会随着类本身存储在堆区。
堆中的对象可以被多线程共享。如果一个线程获得一个对象的应用，它便可访问这个对象的成员变量。如果两个线程同时调用了同一个对象的同一个方法，那么这两个线程便可同时访问这个对象的成员变量，但是对于本地变量，每个线程都会拷贝一份到自己的线程栈中。
下图展示了上面描述的过程:
硬件内存架构
不管是什么内存模型，最终还是运行在计算机硬件上的，所以我们有必要了解计算机硬件内存架构，下图就简单描述了当代计算机硬件内存架构：
现代计算机一般都有2个以上CPU，而且每个CPU还有可能包含多个核心。因此，如果我们的应用是多线程的话，这些线程可能会在各个CPU核心中并行运行。
在CPU内部有一组CPU寄存器，也就是CPU的储存器。CPU操作寄存器的速度要比操作计算机主存快的多。在主存和CPU寄存器之间还存在一个CPU缓存，CPU操作CPU缓存的速度快于主存但慢于CPU寄存器。某些CPU可能有多个缓存层（一级缓存和二级缓存）。计算机的主存也称作RAM，所有的CPU都能够访问主存，而且主存比上面提到的缓存和寄存器大很多。
当一个CPU需要访问主存时，会先读取一部分主存数据到CPU缓存，进而在读取CPU缓存到寄存器。当CPU需要写数据到主存时，同样会先flush寄存器到CPU缓存，然后再在某些节点把缓存数据flush到主存。
Java内存模型和硬件架构之间的桥接
正如上面讲到的，Java内存模型和硬件内存架构并不一致。硬件内存架构中并没有区分栈和堆，从硬件上看，不管是栈还是堆，大部分数据都会存到主存中，当然一部分栈和堆的数据也有可能会存到CPU寄存器中，如下图所示，Java内存模型和计算机硬件内存架构是一个交叉关系：
当对象和变量存储到计算机的各个内存区域时，必然会面临一些问题，其中最主要的两个问题是：
1. 共享对象对各个线程的可见性
2. 共享对象的竞争现象
共享对象的可见性
当多个线程同时操作同一个共享对象时，如果没有合理的使用volatile和synchronization关键字，一个线程对共享对象的更新有可能导致其它线程不可见。
想象一下我们的共享对象存储在主存，一个CPU中的线程读取主存数据到CPU缓存，然后对共享对象做了更改，但CPU缓存中的更改后的对象还没有flush到主存，此时线程对共享对象的更改对其它CPU中的线程是不可见的。最终就是每个线程最终都会拷贝共享对象，而且拷贝的对象位于不同的CPU缓存中。
下图展示了上面描述的过程。左边CPU中运行的线程从主存中拷贝共享对象obj到它的CPU缓存，把对象obj的count变量改为2。但这个变更对运行在右边CPU中的线程不可见，因为这个更改还没有flush到主存中：
要解决共享对象可见性这个问题，我们可以使用java volatile关键字。 Java’s volatile keyword. volatile 关键字可以保证变量会直接从主存读取，而对变量的更新也会直接写到主存。volatile原理是基于CPU内存屏障指令实现的，后面会讲到。
如果多个线程共享一个对象，如果它们同时修改这个共享对象，这就产生了竞争现象。
如下图所示，线程A和线程B共享一个对象obj。假设线程A从主存读取Obj.count变量到自己的CPU缓存，同时，线程B也读取了Obj.count变量到它的CPU缓存，并且这两个线程都对Obj.count做了加1操作。此时，Obj.count加1操作被执行了两次，不过都在不同的CPU缓存中。
如果这两个加1操作是串行执行的，那么Obj.count变量便会在原始值上加2，最终主存中的Obj.count的值会是3。然而下图中两个加1操作是并行的，不管是线程A还是线程B先flush计算结果到主存，最终主存中的Obj.count只会增加1次变成2，尽管一共有两次加1操作。
要解决上面的问题我们可以使用java synchronized代码块。synchronized代码块可以保证同一个时刻只能有一个线程进入代码竞争区，synchronized代码块也能保证代码块中所有变量都将会从主存中读，当线程退出代码块时，对所有变量的更新将会flush到主存，不管这些变量是不是volatile类型的。
volatile和 synchronized区别
支撑Java内存模型的基础原理
指令重排序
在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器会对指令做重排序。但是，JMM确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过插入特定类型的Memory Barrier来禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为上层提供一致的内存可见性保证。
编译器优化重排序：编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
指令级并行的重排序：如果不存l在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
内存系统的重排序：处理器使用缓存和读写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。
数据依赖性
如果两个操作访问同一个变量，其中一个为写操作，此时这两个操作之间存在数据依赖性。
编译器和处理器不会改变存在数据依赖性关系的两个操作的执行顺序，即不会重排序。
as-if-serial
不管怎么重排序，单线程下的执行结果不能被改变，编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。
内存屏障（Memory Barrier ）
上面讲到了，通过内存屏障可以禁止特定类型处理器的重排序，从而让程序按我们预想的流程去执行。内存屏障，又称内存栅栏，是一个CPU指令，基本上它是一条这样的指令：
保证特定操作的执行顺序。
影响某些数据（或则是某条指令的执行结果）的内存可见性。
编译器和CPU能够重排序指令，保证最终相同的结果，尝试优化性能。插入一条Memory Barrier会告诉编译器和CPU：不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序。
Memory Barrier所做的另外一件事是强制刷出各种CPU cache，如一个Write-Barrier（写入屏障）将刷出所有在Barrier之前写入 cache 的数据，因此，任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。
这和java有什么关系？上面java内存模型中讲到的volatile是基于Memory Barrier实现的。
如果一个变量是volatile修饰的，JMM会在写入这个字段之后插进一个Write-Barrier指令，并在读这个字段之前插入一个Read-Barrier指令。这意味着，如果写入一个volatile变量，就可以保证：
一个线程写入变量a后，任何线程访问该变量都会拿到最新值。
在写入变量a之前的写入操作，其更新的数据对于其他线程也是可见的。因为Memory Barrier会刷出cache中的所有先前的写入。
happens-before
从jdk5开始，java使用新的JSR-133内存模型，基于happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。
在JMM中，如果一个操作的执行结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在happens-before关系，这个的两个操作既可以在同一个线程，也可以在不同的两个线程中。
与程序员密切相关的happens-before规则如下：
程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中任意的后续操作。
监视器锁规则：对一个锁的解锁操作，happens-before于随后对这个锁的加锁操作。
volatile域规则：对一个volatile域的写操作，happens-before于任意线程后续对这个volatile域的读。
传递性规则：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么A happens-before C。
注意：两个操作之间具有happens-before关系，并不意味前一个操作必须要在后一个操作之前执行！仅仅要求前一个操作的执行结果，对于后一个操作是可见的，且前一个操作按顺序排在后一个操作之前。
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