硬體記憶體架構？ Java記憶體模型？ 記憶體間交互的操作有哪些？ 原子性、可見性、有序性？ 先行發生原則有哪些？ ...
簡介
Java記憶體模型是在硬體記憶體模型上的更高層的抽象，它屏蔽了各種硬體和操作系統訪問的差異性，保證了Java程式在各種平臺下對記憶體的訪問都能達到一致的效果。
硬體記憶體模型
在正式講解Java的記憶體模型之前，我們有必要先瞭解一下硬體層面的一些東西。
在現代電腦的硬體體系中，CPU的運算速度是非常快的，遠遠高於它從存儲介質讀取數據的速度，這裡的存儲介質有很多，比如磁碟、光碟、網卡、記憶體等，這些存儲介質有一個很明顯的特點——距離CPU越近的存儲介質往往越小越貴越快，距離CPU越遠的存儲介質往往越大越便宜越慢。
所以，在程式運行的過程中，CPU大部分時間都浪費在了磁碟IO、網路通訊、資料庫訪問上，如果不想讓CPU在那裡白白等待，我們就必須想辦法去把CPU的運算能力壓榨出來，否則就會造成很大的浪費，而讓CPU同時去處理多項任務則是最容易想到的，也是被證明非常有效的壓榨手段，這也就是我們常說的“併發執行”。
但是，讓CPU併發地執行多項任務並不是那麼容易實現的事，因為所有的運算都不可能只依靠CPU的計算就能完成，往往還需要跟記憶體進行交互，如讀取運算數據、存儲運算結果等。
前面我們也說過了，CPU與記憶體的交互往往是很慢的，所以這就要求我們要想辦法在CPU和記憶體之間建立一種連接，使它們達到一種平衡，讓運算能快速地進行，而這種連接就是我們常說的“高速緩存”。
高速緩存的速度是非常接近CPU的，但是它的引入又帶來了新的問題，現代的CPU往往是有多個核心的，每個核心都有自己的緩存，而多個核心之間是不存在時間片的競爭的，它們可以並行地執行，那麼，怎麼保證這些緩存與主記憶體中的數據的一致性就成為了一個難題。
為瞭解決緩存一致性的問題，多個核心在訪問緩存時要遵循一些協議，在讀寫操作時根據協議來操作，這些協議有MSI、MESI、MOSI等，它們定義了何時應該訪問緩存中的數據、何時應該讓緩存失效、何時應該訪問主記憶體中的數據等基本原則。
而隨著CPU能力的不斷提升，一層緩存就無法滿足要求了，就逐漸衍生出了多級緩存。
按照數據讀取順序和CPU的緊密程度，CPU的緩存可以分為一級緩存（L1）、二級緩存（L2）、三級緩存（L3），每一級緩存存儲的數據都是下一級的一部分。
這三種緩存的技術難度和製作成本是相對遞減的，容量也是相對遞增的。
所以，在有了多級緩存後，程式的運行就變成了：
當CPU要讀取一個數據的時候，先從一級緩存中查找，如果沒找到再從二級緩存中查找，如果沒找到再從三級緩存中查找，如果沒找到再從主記憶體中查找，然後再把找到的數據依次載入到多級緩存中，下次再使用相關的數據直接從緩存中查找即可。
而載入到緩存中的數據也不是說用到哪個就載入哪個，而是載入記憶體中連續的數據，一般來說是載入連續的64個位元組，因此，如果訪問一個 long 類型的數組時，當數組中的一個值被載入到緩存中時，另外 7 個元素也會被載入到緩存中，這就是“緩存行”的概念。
緩存行雖然能極大地提高程式運行的效率，但是在多線程對共用變數的訪問過程中又帶來了新的問題，也就是非常著名的“偽共用”。
關於偽共用的問題，我們這裡就不展開講了，有興趣的可以看彤哥之前發佈的【雜談 什麼是偽共用（false sharing）？】章節的相關內容。
除此之外，為了使CPU中的運算單元能夠充分地被利用，CPU可能會對輸入的代碼進行亂序執行優化，然後在計算之後再將亂序執行的結果進行重組，保證該結果與順序執行的結果一致，但並不保證程式中各個語句計算的先後順序與代碼的輸入順序一致，因此，如果一個計算任務依賴於另一個計算任務的結果，那麼其順序性並不能靠代碼的先後順序來保證。
與CPU的亂序執行優化類似，java虛擬機的即時編譯器也有類似的指令重排序優化。
為瞭解決上面提到的多個緩存讀寫一致性以及亂序排序優化的問題，這就有了記憶體模型，它定義了共用記憶體系統中多線程讀寫操作行為的規範。
Java記憶體模型
Java記憶體模型（Java Memory Model，JMM）是在硬體記憶體模型基礎上更高層的抽象，它屏蔽了各種硬體和操作系統對記憶體訪問的差異性，從而實現讓Java程式在各種平臺下都能達到一致的併發效果。
Java記憶體模型定義了程式中各個變數的訪問規則，即在虛擬機中將變數存儲到記憶體和從記憶體中取出這樣的底層細節。這裡所說的變數包括實例欄位、靜態欄位，但不包括局部變數和方法參數，因為它們是線程私有的，它們不會被共用，自然不存在競爭問題。
為了獲得更好的執行效能，Java記憶體模型並沒有限制執行引擎使用處理器的特定寄存器或緩存來和主記憶體進行交互，也沒有限制即時編譯器調整代碼的執行順序等這類權利。
Java記憶體模型規定了所有的變數都存儲在主記憶體中，這裡的主記憶體跟介紹硬體時所用的名字一樣，兩者可以類比，但此處僅指虛擬機中記憶體的一部分。
除了主記憶體，每條線程還有自己的工作記憶體，此處可與CPU的高速緩存進行類比。工作記憶體中保存著該線程使用到的變數的主記憶體副本的拷貝，線程對變數的操作都必須在工作記憶體中進行，包括讀取和賦值等，而不能直接讀寫主記憶體中的變數，不同的線程之間也無法直接訪問對方工作記憶體中的變數，線程間變數值的傳遞必須通過主記憶體來完成。
線程、工作記憶體、主記憶體三者的關係如下圖所示：
註意，這裡所說的主記憶體、工作記憶體跟Java虛擬機記憶體區域劃分中的堆、棧是不同層次的記憶體劃分，如果兩者一定要勉強對應起來，主記憶體主要對應於堆中對象的實例部分，而工作記憶體主要對應與虛擬機棧中的部分區域。
從更低層次來說，主記憶體主要對應於硬體記憶體部分，工作記憶體主要對應於CPU的高速緩存和寄存器部分，但也不是絕對的，主記憶體也可能存在於高速緩存和寄存器中，工作記憶體也可能存在於硬體記憶體中。
記憶體間的交互操作
關於主記憶體與工作記憶體之間具體的交互協議，Java記憶體模型定義了以下8種具體的操作來完成：
（1）lock，鎖定，作用於主記憶體的變數，它把主記憶體中的變數標識為一條線程獨占狀態；
（2）unlock，解鎖，作用於主記憶體的變數，它把鎖定的變數釋放出來，釋放出來的變數才可以被其它線程鎖定；
（3）read，讀取，作用於主記憶體的變數，它把一個變數從主記憶體傳輸到工作記憶體中，以便後續的load操作使用；
（4）load，載入，作用於工作記憶體的變數，它把read操作從主記憶體得到的變數放入工作記憶體的變數副本中；
（5）use，使用，作用於工作記憶體的變數，它把工作記憶體中的一個變數傳遞給執行引擎，每當虛擬機遇到一個需要使用到變數的值的位元組碼指令時將會執行這個操作；
（6）assign，賦值，作用於工作記憶體的變數，它把一個從執行引擎接收到的變數賦值給工作記憶體的變數，每當虛擬機遇到一個給變數賦值的位元組碼指令時使用這個操作；
（7）store，存儲，作用於工作記憶體的變數，它把工作記憶體中一個變數的值傳遞到主記憶體中，以便後續的write操作使用；
（8）write，寫入，作用於主記憶體的變數，它把store操作從工作記憶體得到的變數的值放入到主記憶體的變數中；
如果要把一個變數從主記憶體複製到工作記憶體，那就要按順序地執行read和load操作，同樣地，如果要把一個變數從工作記憶體同步回主記憶體，就要按順序地執行store和write操作。註意，這裡只說明瞭要按順序，並沒有說一定要連續，也就是說可以在read與load之間、store與write之間插入其它操作。比如，對主記憶體中的變數a和b的訪問，可以按照以下順序執行：
read a -> read b -> load b -> load a。
另外，Java記憶體模型還定義了執行上述8種操作的基本規則：
（1）不允許read和load、store和write操作之一單獨出現，即不允許出現從主記憶體讀取了而工作記憶體不接受，或者從工作記憶體回寫了但主記憶體不接受的情況出現；
（2）不允許一個線程丟棄它最近的assign操作，即變數在工作記憶體變化了必須把該變化同步回主記憶體；
（3）不允許一個線程無原因地（即未發生過assign操作）把一個變數從工作記憶體同步回主記憶體；
（4）一個新的變數必須在主記憶體中誕生，不允許工作記憶體中直接使用一個未被初始化（load或assign）過的變數，換句話說就是對一個變數的use和store操作之前必須執行過load和assign操作；
（5）一個變數同一時刻只允許一條線程對其進行lock操作，但lock操作可以被同一個線程執行多次，多次執行lock後，只有執行相同次數的unlock操作，變數才能被解鎖。
（6）如果對一個變數執行lock操作，將會清空工作記憶體中此變數的值，在執行引擎使用這個變數前，需要重新執行load或assign操作初始化變數的值；
（7）如果一個變數沒有被lock操作鎖定，則不允許對其執行unlock操作，也不允許unlock一個其它線程鎖定的變數；
（8）對一個變數執行unlock操作之前，必須先把此變數同步回主記憶體中，即執行store和write操作；
註意，這裡的lock和unlock是實現synchronized的基礎，Java並沒有把lock和unlock操作直接開放給用戶使用，但是卻提供了兩個更高層次的指令來隱式地使用這兩個操作，即moniterenter和moniterexit。
原子性、可見性、有序性
Java記憶體模型就是為瞭解決多線程環境下共用變數的一致性問題，那麼一致性包含哪些內容呢？
一致性主要包含三大特性：原子性、可見性、有序性，下麵我們就來看看Java記憶體模型是怎麼實現這三大特性的。
（1）原子性
原子性是指一段操作一旦開始就會一直運行到底，中間不會被其它線程打斷，這段操作可以是一個操作，也可以是多個操作。
由Java記憶體模型來直接保證的原子性操作包括read、load、user、assign、store、write這兩個操作，我們可以大致認為基本類型變數的讀寫是具備原子性的。
如果應用需要一個更大範圍的原子性，Java記憶體模型還提供了lock和unlock這兩個操作來滿足這種需求，儘管不能直接使用這兩個操作，但我們可以使用它們更具體的實現synchronized來實現。
因此，synchronized塊之間的操作也是原子性的。
（2）可見性
可見性是指當一個線程修改了共用變數的值，其它線程能立即感知到這種變化。
Java記憶體模型是通過在變更修改後同步回主記憶體，在變數讀取前從主記憶體刷新變數值來實現的，它是依賴主記憶體的，無論是普通變數還是volatile變數都是如此。
普通變數與volatile變數的主要區別是是否會在修改之後立即同步回主記憶體，以及是否在每次讀取前立即從主記憶體刷新。因此我們可以說volatile變數保證了多線程環境下變數的可見性，但普通變數不能保證這一點。
除了volatile之外，還有兩個關鍵字也可以保證可見性，它們是synchronized和final。
synchronized的可見性是由“對一個變數執行unlock操作之前，必須先把此變數同步回主記憶體中，即執行store和write操作”這條規則獲取的。
final的可見性是指被final修飾的欄位在構造器中一旦被初始化完成，那麼其它線程中就能看見這個final欄位了。
（3）有序性
Java程式中天然的有序性可以總結為一句話：如果在本線程中觀察，所有的操作都是有序的；如果在另一個線程中觀察，所有的操作都是無序的。
前半句是指線程內表現為串列的語義，後半句是指“指令重排序”現象和“工作記憶體和主記憶體同步延遲”現象。
Java中提供了volatile和synchronized兩個關鍵字來保證有序性。
volatile天然就具有有序性，因為其禁止重排序。
synchronized的有序性是由“一個變數同一時刻只允許一條線程對其進行lock操作”這條規則獲取的。
先行發生原則（Happens-Before）
如果Java記憶體模型的有序性都只依靠volatile和synchronized來完成，那麼有一些操作就會變得很啰嗦，但是我們在編寫Java併發代碼時並沒有感受到，這是因為Java語言天然定義了一個“先行發生”原則，這個原則非常重要，依靠這個原則我們可以很容易地判斷在併發環境下兩個操作是否可能存在競爭衝突問題。
先行發生，是指操作A先行發生於操作B，那麼操作A產生的影響能夠被操作B感知到，這種影響包括修改了共用記憶體中變數的值、發送了消息、調用了方法等。
下麵我們看看Java記憶體模型定義的先行發生原則有哪些：
（1）程式次序原則
在一個線程內，按照程式書寫的順序執行，書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作，準確地講是控制流順序而不是代碼順序，因為要考慮分支、迴圈等情況。
（2）監視器鎖定原則
一個unlock操作先行發生於後面對同一個鎖的lock操作。
（3）volatile原則
對一個volatile變數的寫操作先行發生於後面對該變數的讀操作。
（4）線程啟動原則
對線程的start()操作先行發生於線程內的任何操作。
（5）線程終止原則
線程中的所有操作先行發生於檢測到線程終止，可以通過Thread.join()、Thread.isAlive()的返回值檢測線程是否已經終止。
（6）線程中斷原則
對線程的interrupt()的調用先行發生於線程的代碼中檢測到中斷事件的發生，可以通過Thread.interrupted()方法檢測是否發生中斷。
（7）對象終結原則
一個對象的初始化完成（構造方法執行結束）先行發生於它的finalize()方法的開始。
（8）傳遞性原則
如果操作A先行發生於操作B，操作B先行發生於操作C，那麼操作A先行發生於操作C。
這裡說的“先行發生”與“時間上的先發生”沒有必然的關係。
比如，下麵的代碼：
int a = 0;
// 操作A：線程1對進行賦值操作
a = 1;
// 操作B：線程2獲取a的值
int b = a;如果線程1在時間順序上先對a進行賦值，然後線程2再獲取a的值，這能說明操作A先行發生於操作B嗎？
顯然不能，因為線程2可能讀取的還是其工作記憶體中的值，或者說線程1並沒有把a的值刷新回主記憶體呢，這時候線程2讀取到的值可能還是0。
所以，“時間上的先發生”不一定“先行發生”。
再看一個例子：
// 同一個線程中
int i = 1;
int j = 2;根據第一條程式次序原則，int i = 1;先行發生於int j = 2;，但是由於處理器優化，可能導致int j = 2;先執行，但是這並不影響先行發生原則的正確性，因為我們在這個線程中並不會感知到這點。
所以，“先行發生”不一定“時間上先發生”。
總結
（1）硬體記憶體架構使得我們必須建立記憶體模型來保證多線程環境下對共用記憶體訪問的正確性；
（2）Java記憶體模型定義了保證多線程環境下共用變數一致性的規則；
（3）Java記憶體模型提供了工作記憶體與主記憶體交互的8大操作：lock、unlock、read、load、use、assign、store、write；
（4）Java記憶體模型對原子性、可見性、有序性提供了一些實現；
（5）先行發生的8大原則：程式次序原則、監視器鎖定原則、volatile原則、線程啟動原則、線程終止原則、線程中斷原則、對象終結原則、傳遞性原則；
（6）先行發生不等於時間上的先發生；
彩蛋
Java記憶體模型是Java中很重要的概念，理解它非常有助於我們編寫多線程代碼，理解多線程的本質，筆者這裡整理了一些不錯的資料提供給大家。
《深入理解Java虛擬機》
《Java併發編程的藝術》
《深入理解java記憶體模型》
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