基於JVM原理、JMM模型和CPU快取模型深入理解Java併發程式設計
許多以Java多執行緒開發為主題的技術書籍，都會把對Java虛擬機器和Java記憶體模型的講解，作為講授Java併發程式設計開發的主要內容，有的還深入到計算機系統的記憶體、CPU、快取等予以說明。實際上，在實際的Java開發工作中，僅僅瞭解併發程式設計的建立、啟動、管理和通訊等基本知識還是不夠的。一方面，如果要開發出高效、安全的併發程式，就必須深入Java記憶體模型和Java虛擬機器的工作原理，從底層瞭解併發程式設計的實質；更進一步地，在現今大資料的時代，要開發出高併發、高可用、考可靠的分散式應用及各種中介軟體，更需要深入到計算機工作原理的底層去進行程式碼開發。
本文嘗試以一個較為全面的角度，以Java虛擬機器工作原理和Java記憶體模型為切入，配合一些計算機CPU快取的知識，深入理解Java多執行緒開發中的難點，包括執行緒安全和執行緒通訊等內容。
如果需要先行了解Java併發程式設計的基礎知識，可參考以下隨筆：
Java併發程式設計之執行緒建立和啟動(Thread、Runnable、Callable和Future)
Java併發程式設計之執行緒生命週期、守護執行緒、優先順序、關閉和join、sleep、yield、interrupt
Java併發程式設計之執行緒安全、執行緒通訊
CPU快取模型
一般來說，邏輯上是先有了現行的計算機體系，再有基於計算機系統的高階程式語言及其編譯器、虛擬機器等構件。因此第一部分先介紹一下困擾許多初學者的Java多執行緒開發的源頭——CPU快取模型。
計算機中，所有的計算都是在CPU暫存器中完成，而指令完成所需要的資料讀取和寫入，都需要從RAM主存獲取。受硬體工藝的影響，現在的CPU處理速度已經遠遠超過主存的訪問速度，差額基本是成千上萬的差距。
因此，CPU快取設計應運而生。如下為CPU快取架構圖和CPU快取與主存的速度對比：
使用CPU快取來處理資料的步驟大致為：
1. 把需要的資料從主存複製一份到CPU快取中；
2. CPU從快取中讀取資料並計算；
3. 計算完成的資料重新整理到主存中。
“快取一致性問題”
如上的工作機制，會在多執行緒環境下導致快取不一致的問題。為此，使用“匯流排加鎖”（已淘汰）和“快取一致性協議”來解決，它大致的思想是：
當CPU操作快取中的資料時，如果發現該變數是一個共享變數，意味著其它快取中也會有這個變數的副本，然後——
1. 如果是讀操作，不做任何處理，只是從快取中讀取資料到暫存器
2. 如果是寫操作，發出訊號通知其它CPU將該變數的cache line置為無效狀態，其它CPU在執行該變數讀取的時候需要從主存更新資料。
Java虛擬機器
受許多資料和書籍講述不嚴謹所致，很多初學者往往簡單地把Java虛擬機器理解為類似編譯器甚至直譯器的存在，把Java虛擬機器當做黑盒，認為輸入了Java原始碼，就可以輸出計算機直接跑的程式了；因為JVM在不同作業系統上都有實現，所以可以做到“一份程式碼，多種機器執行的效果”。這樣理解對小白或者外行人來說可能OK，但對於有想法深入學習Java的小夥伴，是遠遠不夠的。
事實上，Java虛擬機器有自己完善的硬體架構，如處理器、堆疊、暫存器等，還具有相應的指令系統。包括編譯器以及JRE在內的整套體系，構成了完整的JVM。JVM原生支援包括Java、Scala、Kotlin在內的語言編譯後執行。而其中，JRE又是JVM的核心部分。JRE的體系結構圖如下：
JVM的類載入過程
當Java原始檔經過javac編譯完成，生成類檔案之後，首先會被類載入器即ClassLoader載入。ClassLoader的主要職責是載入編譯好的類檔案，在對應的記憶體區域中生成該類的各個資料結構。類的載入分為載入、連線和初始化三個階段，如圖：
1. 載入：載入類的class檔案
2. 連線
2.1 驗證：確保class檔案的正確性，如版本、魔術因子等
2.2 準備：為類的靜態變數分配記憶體，並且初始化預設值
2.3 解析：把類中的符號引用轉為直接引用
3. 初始化：為類的靜態變數賦程式碼編寫階段鎖賦的值
需要注意的是：類的載入實施的是懶載入，即用的時候才載入，並且在同一個執行時包下，一個類只會被初始化一次。
類的完整的生命週期，除了類載入，還包括使用和解除安裝。
關於使用，JVM定義了6種主動使用類的場景，會導致類的載入和初始化
new物件；訪問類的靜態變數(靜態常量不會！)；訪問類的靜態方法；使用反射；初始化子類會初始化父類；啟動類
注意初始化一個類為元素的陣列不會載入類。
類載入的最終產物，是堆記憶體中的Class物件。而對於同一個ClassLoader，不管類被載入多少次，指向的都是同一個Class物件
類被載入後在棧記憶體中的分佈情況如圖
Java記憶體模型
通過CPU快取和JVM工作模式的介紹，是為了引入Java記憶體模型的概念。Java記憶體模型（Java Memory Mode, JMM）定義了JVM如何與計算機的主存進行工作，理解JMM對正確理解Java多執行緒開發是十分重要的。JMM模型如下圖所示：
Java記憶體模型的工作邏輯，與上面介紹到的CPU快取一致性工作邏輯十分相似，其關於多執行緒的工作要點如下：
1. 共享變數儲存於主記憶體中，每個執行緒都可以訪問。
2. 每個執行緒都有私有的工作記憶體，或稱本地記憶體。這只是個邏輯概念，其實質是涵蓋了暫存器、快取、編譯器優化和硬體等。
3. 共享變數只以副本的形式，儲存在本地記憶體中。
4. 執行緒不能直接操作主記憶體，只有操作了本地記憶體中的副本，才能重新整理到主記憶體中。
5. 每個執行緒也不能操作其它執行緒的私有的本地記憶體
Java執行緒安全的實現
Java併發程式設計安全需要具備的三大特性：原子性、可見性和有序性。下面將介紹，基於JMM模型和Java執行緒安全的實現方式，是如何確保三大特性的。
原子性
- 在Java併發程式設計中，簡單的讀取和賦值操作是原子性的，但是多個原子操作並在一起就不是了，比如將一個變數賦值給另外一個變數的操作。
- JMM只保證了簡單讀取和賦值的原子性。因此，併發程式設計中需要用到synchronized實現同步，或者使用Lock介面的實現類加鎖；對於基本資料型別如int的自增操作，也可以使用JUC包下的java.util.concurrent.atomic.*包下的原子型別。而volatile修飾的變數，不具備原子性。
可見性
基於JMM模型，對於執行緒讀取共享變數：首次只要從主記憶體讀取到工作記憶體，以後都在工作記憶體中讀取即可；對於修改共享變數，新值先更新在工作記憶體中，再重新整理到主存中。但什麼時候重新整理是不確定的。因此，Java併發程式設計中，要確保共享變數在多執行緒中同步更新，可以採取如下方式：
- 通過synchronized關鍵字同步，可以確保在鎖釋放之前，對變數的修改重新整理到主記憶體中；
- 通過Lock介面實現類實現同步，同樣可以在鎖unlock之前，把修改重新整理到主記憶體中；
- 使用volatile關鍵字，當某執行緒修改了工作記憶體中的共享變數副本，會直接重新整理主存中的值，並且其它執行緒會立刻收到本地記憶體中共享變數副本失效的資訊，從而及時從主記憶體中更新值。
有序性
在JMM模型中，為了充分利用硬體效能，編譯器和指令器有可能會對程式指令進行重排序。單執行緒下，這不會有什麼問題，但多執行緒下則可能帶來意想不到的狀況。
關於併發程式設計的有序性，JMM基於一套原生Happens-before原則，來確保了多執行緒下一定程度的有序性。具體說來：
- 程式次序規則：即便發生了重排序，在一個執行緒內最終的執行結果會與程式編寫順序的結果一致。
- 鎖定規則：先unlock再lock。即一個鎖是鎖定狀態，需要先解鎖才能再加鎖。
- volatile規則：如果一個執行緒對volatile變數讀，另一個執行緒對該變數寫，那麼寫操作一定發生在讀操作之前。
- 傳遞規則：如果操作A先於B，B先於C，那麼A肯定先於C。
- 執行緒啟動規則：執行緒的start方法先於其它操作。
- 執行緒中斷規則：必須是先有interrupt()方法呼叫，才有中斷訊號的捕獲。
- 執行緒終結規則：執行緒的所有操作都必須先於執行緒死亡。
- 物件終結規則：一個物件的初始化先於物件GC之前。
此外，在併發程式設計中，比較常用的是使用synchronized關鍵字和Lock介面同步，或者volatile關鍵字，來確保多執行緒下的有序性。