深入理解Java多线程与并发框（第③篇）——Java内存模型与原子性、可见性、有序性

一、Java内存模型

Java Memory Modle，简称 JMM，中文名称 Java内存模型，它是一个抽象的概念，用来描述或者规范访问内存变量的方式。因为各中计算机的操作系统和硬件不同，方式机制也可能不同，Java内存模型用于屏蔽（适配）各种差异，以此来达到访问各个平台的一致的效果。这也是Java夸平台的重要原因之一。

主内存： Java内存规定了所有变量都存储在主内存（Main Memory）中，各个线程又有自己的本地内存（工作内存），本地内存保存着主内存中部分变量。具体访问方式如下：

JMM工作方式

• lock加锁：为了保证访问主内存变量的线程安全性，在访问前一般会加锁处理；
• read读：从主内存中读取一个变量到工作内存；
• load加载：把read读到的变量加载到工作内存的变量副本中；
• use使用：此时线程可以使用其工作内存中的变量了；
• assign赋值：将处理后的变量赋值给工作内存中的变量；
• store存储：将工作内存中的变量存储到主内存中，以新建new 一个新变量的方式存储；
• write写：将store存在的新变量的引用赋值给被处理的变量；
• unload解锁：所有的工作做完，最后解锁释放资源。

二、Java内存模型的三大特性

1. 原子性（Atomicity）

这里的原子性如同数据库事务中是原子性，一个或多个操作要么全执行成功要么全执行失败（全不执行）。

int a = 1;
a++;
double b = 1.5;

Java内存模型只保证单一的操作具有原子性，比如上面的 int a = 1; 是一个单子的操作，所以具有原子性。而 a++ 操作在底层会分为三个操作：1）、读取a的值给临时变量；2）、临时变量a的值加1操作；3）、将加操作后的值赋值给a。每个操作都是原子的，但Java内存模型在多线程下并不能保证多操作具有整体原子性，因为它也不知道这个整体内有多少操作，用户想要达到多操作具有整体原子性，需要对响应的代码块做同步（synchronous）处理，比如使用 有锁的synchronized 或 无锁的CAS。

2. 可见性（Visibility）

这里的可见性是内存可见性。

如上图，线程1和线程2在未同步的情况下对共享内存（主内存）中的变量进行访问，比如两个线程的操作都是对变量a进行加1操作。假设线程1首先获取主内存中变量a的值，随后线程2又获取了主内存变量a的值，此时它们工作内存中a的值都是1，它们各自将a的值加1操作，然后assign至工作内存，工作内存中变量a的值都是2，然后两个线程又将值刷新到主内存，最后的结果是主内存中变量a的值是2。虽然整体对a的值加1操作做了两次操作，但由于线程间的操作是互相隔离的，默认情况下无法感知内存变量的值在随后的变化，也就无法访问内存中最新的变量值，这就是内存可行性的问题。

如何解决内存可见性的问题？

• 对进入临界区的线程做同步处理（比如 synchronized）,同一时刻仅有一个线程能够访问临界区的资源；
• 使用 volatile 关键字保证内存可见性，它能保证访问临界区资源的所有线程总能看到共享资源的最新值；
• CAS无锁化。

3. 有序性（Ordering）

线程内的所有操作都是有序的，既程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。比如下面的示例：

int a = 1;
int b = 2;
int c = a + b;

线程内程序会先执行 int a = 1; ，然后执行 int b = 2; 最后执行int c = a + b;。