Java內(nèi)存模型的歷史變遷



舊的Java內(nèi)存模型
Java使用的是共享內(nèi)存的并發(fā)模型，在線程之間共享變量。Java語言定義了線程模型規(guī)范，通過內(nèi)存模型控制線程與變量的交互，從而實(shí)現(xiàn)Java線程之間的通信。在JDK5之前，Java一直使用的是舊內(nèi)存模型。如圖1所示。變量保存在由所有線程共享的主內(nèi)存中，主內(nèi)存中的變量稱為mastingcopy。每個(gè)線程都有一個(gè)工作內(nèi)存，它保存變量的workingcopy。舊的內(nèi)存模型定義了若干規(guī)則，通過這些規(guī)則來保證線程何時(shí)將主內(nèi)存中的mastingcopy傳送到線程的工作內(nèi)存中；以及線程何時(shí)將工作內(nèi)存中的workingcopy傳送回主內(nèi)存。舊內(nèi)存模型使用8個(gè)操作來定義線程可以執(zhí)行的動(dòng)作。
read（讀）操作：主內(nèi)存把mastingcopy傳送到線程的工作內(nèi)存，以供后面的load操作使用。
load（裝載）操作：線程將由read操作從主內(nèi)存?zhèn)魉瓦^來的值，放入工作內(nèi)存中。
use（使用）操作：線程將變量的workingcopy傳送到線程執(zhí)行引擎。
assign（賦值）操作：線程將變量值從線程執(zhí)行引擎?zhèn)魉偷骄�程的工作內(nèi)存中。
store（存儲(chǔ)）操作：線程將變量的workingcopy傳送到主內(nèi)存，供后面的write操作使用。
write（寫）操作：主內(nèi)存將由store操作傳送過來的值，放入主內(nèi)存中。
lock（鎖定）操作：線程獲得指定對象的鎖。
unlock（解鎖）操作：線程釋放指定對象的鎖。
 
圖1 Java舊內(nèi)存模型
這里的關(guān)鍵是，由于read操作是由主內(nèi)存執(zhí)行，而對應(yīng)的load是由線程執(zhí)行，read操作和load操作之間是松散耦合的。也就是說，主內(nèi)存和線程工作內(nèi)存之間的變量傳遞是松散耦合的。同樣，由于store操作是由線程執(zhí)行，而對應(yīng)的write是由主內(nèi)存執(zhí)行，store操作和write操作之間是松散耦合的。也就是說，線程工作內(nèi)存和主內(nèi)存之間的變量傳遞是松散耦合的。舊Java內(nèi)存模型對Java實(shí)現(xiàn)如何執(zhí)行變量的讀/寫，加鎖/解鎖，以及volatile變量的讀/寫，定義了非常嚴(yán)格的規(guī)則。這些規(guī)則非常復(fù)雜，具體詳情請參考《JVM規(guī)范》，這里就不贅述了。舊Java內(nèi)存模型通過這些復(fù)雜的規(guī)則，來保證多線程程序的線程之間，可以可靠地傳遞共享變量，從而保證多線程程序的正確性。
新的Java內(nèi)存模型
從JDK5開始，Java使用新的內(nèi)存模型，新內(nèi)存模型完全拋棄了舊內(nèi)存模型的主內(nèi)存和工作內(nèi)存的概念，也拋棄了舊內(nèi)存模型的8個(gè)內(nèi)存操作。也就是說，新內(nèi)存模型完全是重新設(shè)計(jì)的。
新內(nèi)存模型引入了一個(gè)新的概念，叫happens-before。happens-before的概念最初由LeslieLamport在其一篇影響深遠(yuǎn)的論文（《Time,ClocksandtheOrderingofEventsinaDistributedSystem》）中提出。LeslieLamport使用happens-before來定義分布式系統(tǒng)中，事件之間的一個(gè)偏序關(guān)系(partialordering)。LeslieLamport在這篇論文中給出了一個(gè)分布式算法，該算法可以將該偏序關(guān)系擴(kuò)展為某種全序關(guān)系。
JSR-133使用happens-before的概念來指定兩個(gè)操作（這里的操作是指程序中對變量的讀/寫，對鎖的加鎖和解鎖）之間的執(zhí)行順序。新內(nèi)存模型定義了如下的happens-before規(guī)則。
程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作，happensbefore于該線程中的任意后續(xù)操作。
監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個(gè)鎖的解鎖，happens-before于隨后對這個(gè)鎖的加鎖。
volatile變量規(guī)則：對一個(gè)volatile域的寫，happensbefore于任意后續(xù)對這個(gè)volatile域的讀。
傳遞性：如果Ahappens-beforeB，且BhappensbeforeC，那么Ahappens-beforeC。
start()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.start()（啟動(dòng)線程B），那么A線程的ThreadB.start()操作happensbefore于線程B中的任意操作。
join()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.join()并成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回。
由于兩個(gè)操作可以在一個(gè)線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間。因此JMM可以通過happens-before關(guān)系向程序員提供跨線程的內(nèi)存可見性保證（如果A線程的寫操作a與B線程的讀操作b之間存在happens-before關(guān)系，盡管a操作和b操作在不同的線程中執(zhí)行，但JMM
 
圖2新內(nèi)存模型的設(shè)計(jì)示意圖
向程序員保證a操作將對b操作可見）。在新內(nèi)存模型向程序員提供happens-before規(guī)則，程序員只需要與happens-before打交道即可，因此Java程序員的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)大大降低。同時(shí)，新內(nèi)存模型允許不會(huì)改變程序結(jié)果的重排序，這可以最大限度地放松對編譯器和處理器的束縛，新內(nèi)存模型的執(zhí)行性能比舊內(nèi)存模型要好。
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