Java記憶體模型

1. 概念
   記憶體模型（memory model）：在特定的操作協議下，對特定的記憶體或快取記憶體進行讀寫訪問的過程抽象。
2. 作用
   java記憶體模型的主要目標是定義程式中各個變數的訪問規則，即在虛擬機器中將變數儲存到記憶體和從記憶體中取出變數這樣的底層細節。（注：此處變數與java程式設計中所說的變數有所區別，它包括了例項欄位、靜態欄位、構成陣列物件的元素，但不包括區域性變數和方法引數，因為後者是執行緒私有的，不會被共享）
3. 主記憶體和工作記憶體
   java記憶體模型規定了所有的變數都儲存在主記憶體中，每條執行緒擁有自己的工作記憶體（Working Memory），執行緒的工作記憶體中儲存了被該執行緒使用到的變數的主記憶體副本的拷貝，執行緒對變數的所有操作（讀取、賦值等）都必須在工作記憶體中進行，而不能直接讀寫主記憶體中的變數。不同的執行緒之間也無法直接訪問其他執行緒的工作記憶體中的變數，執行緒間變數值的傳遞均需要通過主記憶體來完成。
4. 區別
   上面所說的主記憶體/工作記憶體與java記憶體區域中java堆、棧、方法區等並不是同一個層次的記憶體劃分，這兩者基本沒有關係，如果一定要勉強對應，主記憶體主要對應於java堆中的物件例項資料部分，而工作記憶體則對應於虛擬機器棧中的部分割槽域。
5. 主記憶體和工作記憶體之間的操作
   虛擬機器實現時必須保證下面提及的每一種操作都是原子的、不可再分的
   lock（鎖定）：作用於主記憶體的變數，它把一個變數標識為一條執行緒獨佔的狀態。
   unlock（解鎖）：作用於主記憶體的變數，它把一個處於鎖定狀態的變數釋放出來，釋放後的變數才可以被其他執行緒鎖定。
   read（讀取）：作用於主記憶體的變數，它把一個變數的值從主記憶體傳輸到執行緒的工作記憶體中，以便隨後的load動作使用。
   load(載入)：作用於工作記憶體的變數，它把read操作從主記憶體中得到的變數值放入工作記憶體的變數副本中。
   use（使用）：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給執行引擎，每當虛擬機器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。
   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值賦給工作記憶體的變數，每當虛擬機器遇到一個給變數賦值的位元組碼指令時執行這個操作。
   store（儲存）：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送到主記憶體中，以便隨後的write操作使用。
   write（寫入）：作用於主記憶體的變數，它把store操作從工作記憶體中得到的變數的值放入主記憶體變數中。
   注意：
   

   read/load和write/store
   不允許read和load、store和write操作之一單獨出現，即不允許一個變數從主記憶體讀取了但工作記憶體不接受，或者從工作記憶體發起回寫了但主記憶體不接受的情況出現。即java記憶體模型只要求上述兩個操作必須按順序執行，而沒有保證是連續執行，也就是說，read和load之間、store和write之間是可插入其他指令的。
   assign
   不允許一個執行緒丟棄它的最近的assign操作，即變數在工作記憶體中改變之後必須把該變化同步回主記憶體。
   不允許一個執行緒無原因地（沒有發生過任何assign操作）把資料從執行緒的工作記憶體同步回主記憶體中。
   lock/unlock

一個變數在同一時刻只允許一條執行緒對其進行lock操作，但lock操作可以被同一條執行緒重複執行多次，多次執行lock後，只有執行相同次數的unlock操作，變數才會被解鎖。 如果對一個變數執行lock操作，那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。 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（執行store、write操作）

volatile 變數

1. volatile
   關鍵字volatile可以說是java虛擬機器提供的最輕量級的同步機制。
2. volatile變數的兩種特性
   第一是保證此變數對所有執行緒的可見性，這裡的“可見性”是指當一條執行緒修改了這個變數的值，新值對於其他執行緒來說可以立即得知。由於Java裡面的運算並非原子操作，導致volatile變數的運算在併發下一樣是不安全的。
   第二使用volatile變數的第二個語義是禁止指令重排序優化。

//此處顯示了volatile並不能保證執行緒的安全性
public class Volatile12_1 {

    public static volatile int race = 0;
    public static void increase()
    {
        race++;
    }
    private static final int THREAD_COUNT = 20;
    public static void main(String[] args)
    {
        Thread[] threads = new Thread[THREAD_COUNT];
        for(int i = 0;i < THREAD_COUNT;i++)
        {
            threads[i] = new Thread(new Runnable(){

                @Override
                public void run() {
                    for(int i = 0;i < 10000;i++)
                        increase();
                }

            }); 
            threads[i].start();
        }
        while(Thread.activeCount() > 1)
        {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(race);

    }
}

1. 在不符合以下兩種情況下，需要加鎖來保證原子性
   由於volatile變數只能保證可見性，不符合以下兩條規則的運算場景中，需要通過加鎖（使用synchronized或java.util.concurrent中的原子類）來保證原子性。
   第一運算結果並不依賴變數的當前值，或者能夠確保只有單一的執行緒修改變數的值。
   第二變數不需要與其他的狀態變數共同參與不變約束。
2. 總結
   對於volatile型變數的特殊規則，執行緒對變數的use動作可以認為是和執行緒對變數的load、read動作相關聯，必須連續一起出現，即每次使用volatile變數的時候，都必須先從主記憶體重新整理最新的值，用於保證能看見其他執行緒對變數所做的修改後的值。
   執行緒對變數的assign動作可以認為是和執行緒對變數的store、write動作關聯，必須連續一起出現（即要求在工作記憶體中，每次修改變數後必須立刻同步回主記憶體中，用於保證其他執行緒可以看到自己對變數所做的修改）
   
   1. 普通變數和volatile變數之間的區別
      volatile的特殊規保證了新值能立即同步到主記憶體，以及每次使用前立即從主記憶體重新整理。因此volatile保證了多執行緒操作時變數的可見性，而普通變數則不能保證這一點。