Java 線程內存模型

1. 前言

本節內容是從操作系統的層面談并發，本節課程我們需要掌握如下內容：

• 了解 Java 的內存模型定義，是 Java 并發編程基本原理的基礎知識；
• 從概念上了解線程的私有內存空間和主內存，能夠從全局上了解線程是如何進行內存數據的存取操作的；
• 了解線程擁有私有空間的意義，私有空間能夠為線程提供獨有的數據，其他線程不可干擾；
• 在多線程環境下，主內存操作共享變量需要注意的事項需謹記，數據安全問題很重要；
• Java 線程也是擁有生命周期的，了解它的生命周期，從宏觀上了解線程。

2. 什么是 Java 的內存模型

定義： Java 內存模型（即 Java Memory Model，簡稱 JMM）本身是一種抽象的概念，并不真實存在，它描述的是一組規則或規范，通過這組規范定義了程序中各個變量（包括實例字段，靜態字段和構成數組對象的元素）的訪問方式。

3. Java 線程的私有內存和主內存

首先看下圖，圖中展示了Java 的內存模型。

工作內存（私有）：由于JVM 運行程序的實體是線程，而每個線程創建時 JVM 都會為其創建一個工作內存（?？臻g），用于存儲線程私有的數據。線程私有的數據只能供自己使用，其他線程不能夠訪問到當前線程私有的內存空間，保證了不同的線程在處理自己的數據時，不受其他線程的影響。

主內存（共享）：Java 內存模型中規定所有變量都存儲在主內存，主內存是共享內存區域，所有線程都可以訪問。從上圖中可以看到，Java 的并發內存模型與操作系統的 CPU 運行方式極其相似，這就是 Java 的并發編程模型。通過創建多條線程，并發的進行操作，充分利用系統資源，達到高效的并發運算。

4. 線程擁有私有空間的意義

我們知道，線程的私有空間中存儲的數據，僅供當前線程自己使用，其他線程不能夠對數據進行訪問。線程的私有空間會存放很多程序運行時所必須的數據，如：

程序計數器：記錄當前方法執行到了哪里，以便 CPU 切換回來之后能夠繼續執行上次執行到的位置，而不會進行重復執行或者遺漏。

局部變量：局部變量是方法中的變量，只供當前方法使用。

方法參數：Java 方法會定義自己的入參，入參的真實值也會記錄到內存空間供當前線程使用。

由于線程的內存空間會存放很多數據，這里只提以上三中數據以供同學理解線程私有空間的意義。
為了加深理解，我們一起看一個簡單的代碼示例并進行分析：

public class DemoTest{
    public static void main(String[] args) {
        sum(10); // 解析點 3
    }
    public static void  sum(int num) {
        int i = 5; // 解析點 1
        set(); //解析點 2
        System.out.println("num+i = "+ (num + i));
    }
    public static void  set() {
        int  i = 100;
    }
}

在給出結果之前，我們來分析下：
解析點 1 ：設置 i 的值為 5；
解析點 2： 調用 set() 方法，邏輯如下。

public static void  set() {
        int  i = 100;
    }

那最終的結果是多少呢？
解析點 3：我們傳入的 sum 的參數值是 10，如果想確定結果，只要確定另外一個加數 i 的值就行了。我們通過分析，在方法 sum(int num) 中的 int i = 5 與方法 set() 中的 int i = 100 是兩個不同的方法的局部變量，屬于線程私有的?；ハ嗖粫绊?，所以set() 方法中的 int i = 100 不會影響最終的結果：

num+i = 15

5. 主內存操作共享變量需要注意的事項

• 確定是否是多線程環境：多線程環境下操作共享變量需要考慮線程的安全性；
• 確定是否有增刪改操作：多線程環境下，如果對共享數據有增加，刪除或者修改的操作，需要謹慎。為了保證線程的同步性，必須對該共享數據進行加鎖操作，保證多線程環境下，所有的線程能夠獲取到正確的數據。如生產者與消費者模型，售票模型。這些會在后續章節進行代碼實戰演練；
• 多線程下的讀操作：如果是只讀操作，對共享數據不需要進行鎖操作，因為數據本身未發生增刪改操作，不會影響獲取數據的準確性。

6. Java 線程的生命周期

每個事物都有其生命周期，也就是事物從出生開始到最終消亡這中間的整個過程。在其整個生命周期的歷程中，會有不同階段，每個階段對應著一種狀態，比如：人的一生會經歷從嬰幼兒、青少年、青壯年、中老年到最終死亡，離開這人世間，這是人一生的狀態。

同樣的，線程作為一種事物，也有生命周期，在其生命周期中也存在著不同的狀態，不同的狀態之間還會有互相轉換。

Java 線程的聲明周期會經歷 6 中不同的狀態變化，后續章節會有詳細描述。從線程的創建到線程執行任務的完成，即 Java 線程的生命周期。

7. 小結

Java 并發理論基礎是基于Java 的內存模型的，了解 Java 內存模型，能夠更有助于后續對并發知識的理解和運用了。Java 的內存模型是并發原理的基礎，在了解內存模型的基礎上去理解共享內存和私有內存，了解不同內存狀態以及 Java 線程的生命周期至關重要。