從萌新的角度理解java內存模型

一丶工作內存和主內存

java內存模型，簡稱JMM(Java Memory Model)，個人對於JMM理解是：JVM屏蔽了操作系統對於物理內存訪問的複雜性，目的從軟件設計角度呈現出的一種內存訪問的邏輯視圖。也就是JMM是JVM爲軟件工程師提供的一系列內存訪問的邏輯規則，理解併合理使用這些規則就能正確訪問內存，至於底層和物理內存直接交互動作已經被透明化了，無須關心。下圖是JMM內存模型視圖，是內存訪問規則的基礎。

• 主內存:
  主內存是線程公有的，是所有線程都能訪問的內存區域，一般對應於java內存佈局中的堆區。

• 工作內存
  工作內存是線程私有的。一般對應於JVM虛擬機棧，以及本地方法棧

• 工作內存和主內存之分
  從邏輯上看，如果沒有主內存和工作內存的區分，只有一整塊的內存，似乎也並無不妥。那麼區分主內存和工作內存的意義何在？上圖是耳熟能詳的馮諾依曼體系結構，現代計算機是基於馮諾依曼體系上發展起來的。該體系有兩個關鍵的組成就是存儲器和CPU（運算器和控制器）。其中存儲器則是我們所討論的物理內存。CPU和內存之間的IO操作是存在瓶頸的，內存的操作速度遠遠小於CPU的運算速度。在CPU和內存協同工作的場景中，CPU以較短的時間完成數值計算後，需要花較長的時間等待內存讀取操作，造成了CPU運算資源的浪費。於是，位於CPU和內存之間的高速緩存應運而生。
  在引入了高速緩存之後，CPU會將運算所需要的數據一次性的加載到高速緩存中，高速緩衝具備比內存更快的存取速度。CPU和高速緩存之間配合大大提高了CPU資源的利用率。此時在看工作內存和主內存關係，從邏輯上，高速緩存對應工作內存，每個線程分配到CPU時間片時，獨自享有高速緩存的使用能力。主內存對應存儲的物理內存。特別注意，這只是邏輯上的對等關係，物理的上具體對應關係十分複雜，這裏不討論。

二丶工作內存和主內存之間的交互規則

工作內存和主內存之間協同工作纔是JMM的核心部分。從上文描述中可以知道，工作內存是主內存部分內容的拷貝，在多線程環境中，可能存在多份主內存的拷貝。CPU是直接操作工作內存，最後將工作內存同步到主內存，這個過程會造成各個工作內存具備不一致性。爲了在多線程環境下能實現工作內存中一致性，JMM定義了工作內存和主內存之間的交互操作，總共有8個原子性的交互操作

• lock
  鎖操作，如果線程對內存中某個變量進行了lock，在同一時間將禁止其他所有線程對主內存中該變量進行讀取操作。線程對應的工作內存和主內存之間禁止交互。

• unlock
  unlock 操作在lock操作之後執行。這是釋放鎖操作，將放開線程對工作內存中變量的讀取操作。放開線程對應的工作內存和主內存之間的交互。lock操作和unlock操作是成對出現的，執行多少次lock操作，就要執行相應次數的unlock操作才能完全釋放。

• load
  load操作，是指將主內存中某個變量的值加載到工作內存中，可以看成一次內存轉移操作。

• read
  read操作和load操作成對出現，邏輯上出現在load操作之後，該操作將轉移到工作內存中的變量值具體複製給某個變量。read可看成是發生在工作內存之中的變量初始化操作，load是工作內存和主內存之間的拷貝工作，兩者配合完成一次變量讀取操作。

• use
  CPU使用工作內存中變量需要執行use操作，是定義在工作內存中的一種操作

• assign
  賦值操作，顯而意見，如果發生變量賦值操作，將執行該原子原子操作，是定義在工作內存中的操作。

• store
  該操作和load操作是對應的操作，完成工作內存中內容向主內存中內容的轉移。

• write
  writer操作邏輯上發生在store操作之後，完成對主內容變量的回寫。store操作和write操作是load和read操作的對稱操作。

JVM定義的上述八種操作均是原子的，是最小操作單位，不可分割。除此之外，上述八個操作並不是孤立的，而是相互聯繫的，它們之間的操作必須符合下述規則:
(1) 對主內存中某個變量執行lock操作，將會清空工作內存中該變量值。對變量執行unlock操作之前，必須將其同步到主內存中(store,write)。
(2)工作內存中的變量如未經過assgin操作，那麼不允許同步到主內存中。
(3)load和read操作必須順序執行，但不一定需要連續執行。store和write操作也必須順序執行，但不一定需要連續執行。上述兩對操作必須形成閉環，不能只有load操作而沒有read操作。
上述的八個原子操作和相應的交互規則就是JVM對內存的訪問規則，掌握和理解這些規則對開發正確的多線程程序十分重要