Java 线程内存模型

1. 前言

本节内容是从操作系统的层面谈并发，本节课程我们需要掌握如下内容：

• 了解 Java 的内存模型定义，是 Java 并发编程基本原理的基础知识；
• 从概念上了解线程的私有内存空间和主内存，能够从全局上了解线程是如何进行内存数据的存取操作的；
• 了解线程拥有私有空间的意义，私有空间能够为线程提供独有的数据，其他线程不可干扰；
• 在多线程环境下，主内存操作共享变量需要注意的事项需谨记，数据安全问题很重要；
• Java 线程也是拥有生命周期的，了解它的生命周期，从宏观上了解线程。

2. 什么是 Java 的内存模型

定义： Java 内存模型（即 Java Memory Model，简称 JMM）本身是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述的是一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。

3. Java 线程的私有内存和主内存

首先看下图，图中展示了Java 的内存模型。

工作内存（私有）：由于JVM 运行程序的实体是线程，而每个线程创建时 JVM 都会为其创建一个工作内存（栈空间），用于存储线程私有的数据。线程私有的数据只能供自己使用，其他线程不能够访问到当前线程私有的内存空间，保证了不同的线程在处理自己的数据时，不受其他线程的影响。

主内存（共享）：Java 内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问。从上图中可以看到，Java 的并发内存模型与操作系统的 CPU 运行方式极其相似，这就是 Java 的并发编程模型。通过创建多条线程，并发的进行操作，充分利用系统资源，达到高效的并发运算。

4. 线程拥有私有空间的意义

我们知道，线程的私有空间中存储的数据，仅供当前线程自己使用，其他线程不能够对数据进行访问。线程的私有空间会存放很多程序运行时所必须的数据，如：

程序计数器：记录当前方法执行到了哪里，以便 CPU 切换回来之后能够继续执行上次执行到的位置，而不会进行重复执行或者遗漏。

局部变量：局部变量是方法中的变量，只供当前方法使用。

方法参数：Java 方法会定义自己的入参，入参的真实值也会记录到内存空间供当前线程使用。

由于线程的内存空间会存放很多数据，这里只提以上三中数据以供同学理解线程私有空间的意义。
为了加深理解，我们一起看一个简单的代码示例并进行分析：

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

在给出结果之前，我们来分析下：
解析点 1 ：设置 i 的值为 5；
解析点 2： 调用 set() 方法，逻辑如下。

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

那最终的结果是多少呢？
解析点 3：我们传入的 sum 的参数值是 10，如果想确定结果，只要确定另外一个加数 i 的值就行了。我们通过分析，在方法 sum(int num) 中的 int i = 5 与方法 set() 中的 int i = 100 是两个不同的方法的局部变量，属于线程私有的。互相不会影响，所以set() 方法中的 int i = 100 不会影响最终的结果：

num+i = 15

5. 主内存操作共享变量需要注意的事项

• 确定是否是多线程环境：多线程环境下操作共享变量需要考虑线程的安全性；
• 确定是否有增删改操作：多线程环境下，如果对共享数据有增加，删除或者修改的操作，需要谨慎。为了保证线程的同步性，必须对该共享数据进行加锁操作，保证多线程环境下，所有的线程能够获取到正确的数据。如生产者与消费者模型，售票模型。这些会在后续章节进行代码实战演练；
• 多线程下的读操作：如果是只读操作，对共享数据不需要进行锁操作，因为数据本身未发生增删改操作，不会影响获取数据的准确性。

6. Java 线程的生命周期

每个事物都有其生命周期，也就是事物从出生开始到最终消亡这中间的整个过程。在其整个生命周期的历程中，会有不同阶段，每个阶段对应着一种状态，比如：人的一生会经历从婴幼儿、青少年、青壮年、中老年到最终死亡，离开这人世间，这是人一生的状态。

同样的，线程作为一种事物，也有生命周期，在其生命周期中也存在着不同的状态，不同的状态之间还会有互相转换。

Java 线程的声明周期会经历 6 中不同的状态变化，后续章节会有详细描述。从线程的创建到线程执行任务的完成，即 Java 线程的生命周期。

7. 小结

Java 并发理论基础是基于Java 的内存模型的，了解 Java 内存模型，能够更有助于后续对并发知识的理解和运用了。Java 的内存模型是并发原理的基础，在了解内存模型的基础上去理解共享内存和私有内存，了解不同内存状态以及 Java 线程的生命周期至关重要。