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。CPU快取模型邏輯上來說，大部分計算機系統的高階程式語言及其編譯器、虛擬機器等構件，都是來源於計算機硬體系統的原理和要求，而不是相反。Java虛擬機器和併發程式設計原理也不例外，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：

程式計數器：執行緒私有，每個執行緒都有獨立的程式計數器，用於存放當前執行緒接下來將要執行的位元組碼指令、分支、迴圈、跳轉、異常處理等資訊。Java虛擬機器棧：執行緒私有，生命週期與執行緒相同。執行緒執行中，執行方法時都會建立“棧幀”，用於存放區域性變量表、操作棧、動態連結、方法出口等資訊。虛擬機器棧的大小可以通過-xss來配置，需要特別注意的是：方法的呼叫是棧幀被壓入和彈出的過程。在一定的容量之下，如果區域性變量表等佔用的記憶體越小，則可被壓入的棧幀就越多，反之亦然。棧幀的記憶體大小稱為寬度，棧幀的數量則稱為深度，兩者成反比。本地方法棧：執行緒私有，JVM為本地方法(Java Native Interface, C/C++實現的程式)所劃分的記憶體區域，用於被執行緒呼叫諸如網路通訊、檔案操作等方法。堆：所有執行緒共享，Java執行期間幾乎所有物件都儲存於此。堆記憶體也會被細分為新生代、老生代等子堆。方法區：多個執行緒共享，儲存那些在類的載入階段(詳見下文)已經被JVM載入的類資訊、常量、靜態變數、即時編譯器JIT編譯後的程式碼等資料。Java8中，改區的持久代記憶體改為元空間。特別地，Java程式中執行緒的數量，受Java虛擬機器棧和堆影響較大，可以粗略地認為：一個Java程序的記憶體大小=堆記憶體 + 執行緒數量 * 執行緒私有棧記憶體。結合作業系統特性，可以明確一個計算執行緒數量的公式：執行緒數=(最大地址空間MaxProcessMemory - JVM堆記憶體 - 系統保留記憶體ReservedOsMemory)/ThreadStackSize(XSS)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。