本文通過介紹Java的新/舊內(nèi)存模型，來展示Java技術(shù)的歷史變遷。

舊的Java內(nèi)存模型

Java使用的是共享內(nèi)存的并發(fā)模型，在線程之間共享變量。Java語言定義了線程模型規(guī)范，通過內(nèi)存模型控制線程與變量的交互，從而實現(xiàn)Java線程之間的通信。在JDK5之前，Java一直使用的是舊內(nèi)存模型。如圖1所示。變量保存在由所有線程共享的主內(nèi)存中，主內(nèi)存中的變量稱為mastingcopy。每個線程都有一個工作內(nèi)存，它保存變量的workingcopy。舊的內(nèi)存模型定義了若干規(guī)則，通過這些規(guī)則來保證線程何時將主內(nèi)存中的mastingcopy傳送到線程的工作內(nèi)存中；以及線程何時將工作內(nèi)存中的workingcopy傳送回主內(nèi)存。舊內(nèi)存模型使用8個操作來定義線程可以執(zhí)行的動作。

read（讀）操作：主內(nèi)存把mastingcopy傳送到線程的工作內(nèi)存，以供后面的load操作使用。load（裝載）操作：線程將由read操作從主內(nèi)存?zhèn)魉瓦^來的值，放入工作內(nèi)存中。use（使用）操作：線程將變量的workingcopy傳送到線程執(zhí)行引擎。assign（賦值）操作：線程將變量值從線程執(zhí)行引擎?zhèn)魉偷骄€程的工作內(nèi)存中。store（存儲）操作：線程將變量的workingcopy傳送到主內(nèi)存，供后面的write操作使用。write（寫）操作：主內(nèi)存將由store操作傳送過來的值，放入主內(nèi)存中。lock（鎖定）操作：線程獲得指定對象的鎖。unlock（解鎖）操作：線程釋放指定對象的鎖。

圖1 Java舊內(nèi)存模型

這里的關(guān)鍵是，由于read操作是由主內(nèi)存執(zhí)行，而對應(yīng)的load是由線程執(zhí)行，read操作和load操作之間是松散耦合的。也就是說，主內(nèi)存和線程工作內(nèi)存之間的變量傳遞是松散耦合的。同樣，由于store操作是由線程執(zhí)行，而對應(yīng)的write是由主內(nèi)存執(zhí)行，store操作和write操作之間是松散耦合的。也就是說，線程工作內(nèi)存和主內(nèi)存之間的變量傳遞是松散耦合的。舊Java內(nèi)存模型對Java實現(xiàn)如何執(zhí)行變量的讀/寫，加鎖/解鎖，以及volatile變量的讀/寫，定義了非常嚴格的規(guī)則。這些規(guī)則非常復雜，具體詳情請參考《JVM規(guī)范》，這里就不贅述了。舊Java內(nèi)存模型通過這些復雜的規(guī)則，來保證多線程程序的線程之間，可以可靠地傳遞共享變量，從而保證多線程程序的正確性。

新的Java內(nèi)存模型

從JDK5開始，Java使用新的內(nèi)存模型，新內(nèi)存模型完全拋棄了舊內(nèi)存模型的主內(nèi)存和工作內(nèi)存的概念，也拋棄了舊內(nèi)存模型的8個內(nèi)存操作。也就是說，新內(nèi)存模型完全是重新設(shè)計的。

新內(nèi)存模型引入了一個新的概念，叫happens-before。happens-before的概念最初由LeslieLamport在其一篇影響深遠的論文（《Time,ClocksandtheOrderingofEventsinaDistributedSystem》）中提出。LeslieLamport使用happens-before來定義分布式系統(tǒng)中，事件之間的一個偏序關(guān)系(partialordering)。LeslieLamport在這篇論文中給出了一個分布式算法，該算法可以將該偏序關(guān)系擴展為某種全序關(guān)系。

JSR-133使用happens-before的概念來指定兩個操作（這里的操作是指程序中對變量的讀/寫，對鎖的加鎖和解鎖）之間的執(zhí)行順序。新內(nèi)存模型定義了如下的happens-before規(guī)則。

程序順序規(guī)則：一個線程中的每個操作，happensbefore于該線程中的任意后續(xù)操作。監(jiān)視器鎖規(guī)則：對一個鎖的解鎖，happens-before于隨后對這個鎖的加鎖。volatile變量規(guī)則：對一個volatile域的寫，happensbefore于任意后續(xù)對這個volatile域的讀。傳遞性：如果Ahappens-beforeB，且BhappensbeforeC，那么Ahappens-beforeC。start()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.start()（啟動線程B），那么A線程的ThreadB.start()操作happensbefore于線程B中的任意操作。join()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.join()并成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回。

由于兩個操作可以在一個線程之內(nèi)，也可以是在不同線程之間。因此JMM可以通過happens-before關(guān)系向程序員提供跨線程的內(nèi)存可見性保證（如果A線程的寫操作a與B線程的讀操作b之間存在happens-before關(guān)系，盡管a操作和b操作在不同的線程中執(zhí)行，但JMM

圖2新內(nèi)存模型的設(shè)計示意圖

向程序員保證a操作將對b操作可見）。在新內(nèi)存模型向程序員提供happens-before規(guī)則，程序員只需要與happens-before打交道即可，因此Java程序員的學習負擔大大降低。同時，新內(nèi)存模型允許不會改變程序結(jié)果的重排序，這可以最大限度地放松對編譯器和處理器的束縛，新內(nèi)存模型的執(zhí)行性能比舊內(nèi)存模型要好。

作者簡介：程曉明Java軟件工程師，關(guān)注并發(fā)與NIO，《深入理解Java內(nèi)存模型》的作者。現(xiàn)就職于南京富士通南大軟件技術(shù)有限公司，從事富士通Interstage應(yīng)用服務(wù)器的開發(fā)。