java內存模型JMM理解整理
什麼是JMM
JMM即爲JAVA 內存模型（java memory model）。因爲在不同的硬件生產商和不同的操作系統下，內存的訪問邏輯有一定的差異，結果就是當你的代碼在某個系統環境下運行良好，並且線程安全，但是換了個系統就出現各種問題。Java內存模型，就是爲了屏蔽系統和硬件的差異，讓一套代碼在不同平臺下能到達相同的訪問結果。JMM從java 5開始的JSR-133發佈後，已經成熟和完善起來。
內存劃分
JMM規定了內存主要劃分爲主內存和工作內存兩種。此處的主內存和工作內存跟JVM內存劃分（堆、棧、方法區）是在不同的層次上進行的，如果非要對應起來，主內存對應的是Java堆中的對象實例部分，工作內存對應的是棧中的部分區域，從更底層的來說，主內存對應的是硬件的物理內存，工作內存對應的是寄存器和高速緩存。
JVM在設計時候考慮到，如果JAVA線程每次讀取和寫入變量都直接操作主內存，對性能影響比較大，所以每條線程擁有各自的工作內存，工作內存中的變量是主內存中的一份拷貝，線程對變量的讀取和寫入，直接在工作內存中操作，而不能直接去操作主內存中的變量。但是這樣就會出現一個問題，當一個線程修改了自己工作內存中變量，對其他線程是不可見的，會導致線程不安全的問題。因爲JMM制定了一套標準來保證開發者在編寫多線程程序的時候，能夠控制什麼時候內存會被同步給其他線程。
內存交互操作
內存交互操作有8種，虛擬機實現必須保證每一個操作都是原子的，不可在分的（對於double和long類型的變量來說，load、store、read和write操作在某些平臺上允許例外）
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- lock （鎖定）：作用於主內存的變量，把一個變量標識爲線程獨佔狀態
- unlock （解鎖）：作用於主內存的變量，它把一個處於鎖定狀態的變量釋放出來，釋放後的變量纔可以被其他線程鎖定
- read （讀取）：作用於主內存變量，它把一個變量的值從主內存傳輸到線程的工作內存中，以便隨後的load動作使用
- load （載入）：作用於工作內存的變量，它把read操作從主存中變量放入工作內存中
- use （使用）：作用於工作內存中的變量，它把工作內存中的變量傳輸給執行引擎，每當虛擬機遇到一個需要使用到變量的值，就會使用到這個指令
- assign （賦值）：作用於工作內存中的變量，它把一個從執行引擎中接受到的值放入工作內存的變量副本中
- store （存儲）：作用於主內存中的變量，它把一個從工作內存中一個變量的值傳送到主內存中，以便後續的write使用
- write （寫入）：作用於主內存中的變量，它把store操作從工作內存中得到的變量的值放入主內存的變量中
JMM對這八種指令的使用，制定瞭如下規則：
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- 不允許read和load、store和write操作之一單獨出現。即使用了read必須load，使用了store必須write
- 不允許線程丟棄他最近的assign操作，即工作變量的數據改變了之後，必須告知主存
- 不允許一個線程將沒有assign的數據從工作內存同步回主內存
- 一個新的變量必須在主內存中誕生，不允許工作內存直接使用一個未被初始化的變量。就是懟變量實施use、store操作之前，必須經過assign和load操作
- 一個變量同一時間只有一個線程能對其進行lock。多次lock後，必須執行相同次數的unlock才能解鎖
- 如果對一個變量進行lock操作，會清空所有工作內存中此變量的值，在執行引擎使用這個變量前，必須重新load或assign操作初始化變量的值
- 如果一個變量沒有被lock，就不能對其進行unlock操作。也不能unlock一個被其他線程鎖住的變量
- 對一個變量進行unlock操作之前，必須把此變量同步回主內存
JMM對這八種操作規則和對volatile的一些特殊規則就能確定哪裏操作是線程安全，哪些操作是線程不安全的了。但是這些規則實在複雜，很難在實踐中直接分析。所以一般我們也不會通過上述規則進行分析。更多的時候，使用java的happen-before規則來進行分析。
模型特徵
原子性：例如上面八項操作，在操作系統裏面是不可分割的單元。被synchronized關鍵字或其他鎖包裹起來的操作也可以認爲是原子的。從一個線程觀察另外一個線程的時候，看到的都是一個個原子性的操作。
1 synchronized (this) {
2 a=1;
3 b=2;
4 }
例如一個線程觀察另外一個線程執行上面的代碼，只能看到a、b都被賦值成功結果，或者a、b都尚未被賦值的結果。
可見性：每個工作線程都有自己的工作內存，所以當某個線程修改完某個變量之後，在其他的線程中，未必能觀察到該變量已經被修改。volatile關鍵字要求被修改之後的變量要求立即更新到主內存，每次使用前從主內存處進行讀取。因此volatile可以保證可見性。除了volatile以外，synchronized和final也能實現可見性。synchronized保證unlock之前必須先把變量刷新回主內存。final修飾的字段在構造器中一旦完成初始化，並且構造器沒有this逸出，那麼其他線程就能看到final字段的值。
有序性：java的有序性跟線程相關。如果在線程內部觀察，會發現當前線程的一切操作都是有序的。如果在線程的外部來觀察的話，會發現線程的所有操作都是無序的。因爲JMM的工作內存和主內存之間存在延遲，而且java會對一些指令進行重新排序。volatile和synchronized可以保證程序的有序性，很多程序員只理解這兩個關鍵字的執行互斥，而沒有很好的理解到volatile和synchronized也能保證指令不進行重排序。
Volatile內存語義
Final域的內存語義
被final修飾的變量，相比普通變量，內存語義有一些不同。具體如下：
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- JMM禁止把Final域的寫重排序到構造器的外部。
- 在一個線程中，初次讀該對象和讀該對象下的Final域，JMM禁止處理器重新排序這兩個操作。
1 public class FinalConstructor {
2
3 final int a;
4
5 int b;
6
7 static FinalConstructor finalConstructor;
8
9 public FinalConstructor() {
10 a = 1;
11 b = 2;
12 }
13
14 public static void write() {
15 finalConstructor = new FinalConstructor();
16 }
17
18 public static void read() {
19 FinalConstructor constructor = finalConstructor;
20 int A = constructor.a;
21 int B = constructor.b;
22 }
23 }
假設現在有線程A執行FinalConstructor.write()方法，線程B執行FinalConstructor.read()方法。
對應上述的Final的第一條規則，因爲JMM禁止把Final域的寫重排序到構造器的外部，而對普通變量沒有這種限制，所以變量A=1，而變量B可能會等於2（構造完成），也有可能等於0（第11行代碼被重排序到構造器的外部）。
對應上述的Final的第二條規則，如果constructor的引用不爲null，A必然爲1，要麼constructor爲null，拋出空指針異常。保證讀final域之前，一定會先讀該對象的引用。但是普通對象就沒有這種規則。
（上述的Final規則反覆測試，遺憾的是我並沒有能模擬出來普通變量不能正常構造的結果）
Happen-Before（先行發生規則）
在常規的開發中，如果我們通過上述規則來分析一個併發程序是否安全，估計腦殼會很疼。因爲更多時候，我們是分析一個併發程序是否安全，其實都依賴Happen-Before原則進行分析。Happen-Before被翻譯成先行發生原則，意思就是當A操作先行發生於B操作，則在發生B操作的時候，操作A產生的影響能被B觀察到，“影響”包括修改了內存中的共享變量的值、發送了消息、調用了方法等。
Happen-Before的規則有以下幾條
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- 程序次序規則（Program Order Rule）：在一個線程內，程序的執行規則跟程序的書寫規則是一致的，從上往下執行。
- 管程鎖定規則（Monitor Lock Rule）：一個Unlock的操作肯定先於下一次Lock的操作。這裏必須是同一個鎖。同理我們可以認爲在synchronized同步同一個鎖的時候，鎖內先行執行的代碼，對後續同步該鎖的線程來說是完全可見的。
- volatile變量規則（volatile Variable Rule）：對同一個volatile的變量，先行發生的寫操作，肯定早於後續發生的讀操作
- 線程啓動規則（Thread Start Rule）：Thread對象的start()方法先行發生於此線程的每一個動作
- 線程中止規則（Thread Termination Rule）：Thread對象的中止檢測（如：Thread.join()，Thread.isAlive()等）操作，必行晚於線程中所有操作
- 線程中斷規則（Thread Interruption Rule）：對線程的interruption（）調用，先於被調用的線程檢測中斷事件(Thread.interrupted())的發生
- 對象中止規則（Finalizer Rule）：一個對象的初始化方法先於一個方法執行Finalizer()方法
- 傳遞性（Transitivity）：如果操作A先於操作B、操作B先於操作C,則操作A先於操作C
以上就是Happen-Before中的規則。通過這些條件的判定，仍然很難判斷一個線程是否能安全執行，畢竟在我們的時候線程安全多數依賴於工具類的安全性來保證。想提高自己對線程是否安全的判斷能力，必然需要理解所使用的框架或者工具的實現，並積累線程安全的經驗。