【JUC】4.Java内存模型之JMM

朱雀 2024-04-03 11:05 69阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  1. JMM概述
 *  2. JMM规范下的三大特性
 *  3. 多线程对变量的读写过程
 *  4. 多线程先行发生原则之happens-before
 *  5. happens-before的8条规则
 *  6. 总结

## 1. JMM概述 ##

> JMM就是Java内存模型(java memory model)。因为在不同的硬件生产商和不同的操作系统下，内存的访问有一定的差异，所以会造成相同的代码运行在不同的系统上会出现各种问题。所以**java内存模型(JMM)屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。**

Java内存模型规定**所有的变量都存储在主内存**中，包括实例变量，静态变量，但是不包括局部变量和方法参数。每个线程都有自己的工作内存，**线程的工作内存保存了该线程用到的变量和主内存的副本拷贝，线程对变量的操作都在工作内存中进行**。**线程不能直接读写主内存中的变量**。

![img][]

![在这里插入图片描述][d245de61666e4a49bbd983908af1acdc.png_pic_center]

> JMM本身是一种抽象的概念，并不真实存在它仅仅描述的是一组约定或规范，通过这组规范定义了程序中(尤其是多线程)各个变量的读写访问方式并决定各个变量的读写访问方式并决定一个线程对共享变量的写入何时以及如何变成对另一个线程可见，**关键技术都是围绕多线程的原子性、可见性和有序性展开**（原则）

JMM能干嘛？

*  通过JMM实现线程和主内存之间的抽象关系
 *  屏蔽各个硬件平台和操作系统内存访问差异以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果

--------------------

## 2. JMM规范下的三大特性 ##

*  可见性
    
     *  指当一个线程修改了某一个共享变量的值，其他线程是否能够立即知道该变更
     *  ![在这里插入图片描述][85db73a0763d4f7dbe9c70e217835c07.png_pic_center]
 *  有序性
    
     *  对于一个线程的执行代码而言，我们总是习惯性认为代码执行总是从上到下，有序执行。但是为了提升性能，编译器和处理器通常会对执行序列进行重新排序。Java规范规定JVM线程内部维持顺序化语义，即只要程序的最终结果与它顺序化执行的结果相等，那么指令的执行顺序可以与代码顺序不一致，此过程叫指令的重排序
     *  JVM能根据处理器特性适当的对机器指令进行重排序，使得机器指令1能更符合CPU的执行特性，最大限度发挥机器的性能，但是指令重排可以保证串行语义一致，但是没有义务保证多线程间的语义也一致（可以产生“脏读”）
     *  也就是说，两行互不相干的代码执行的时候有可能先执行的不是第一条，不见得是从上到下顺序执行，执行顺序可以会被优化
     *  ![在这里插入图片描述][49a282b7addc440783514b5742ab1bfa.png_pic_center]
 *  原子性
    
     *  一个线程的某个操作不会被其他线程打断。

--------------------

## 3. 多线程对变量的读写过程 ##

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(有些地方称为栈内存)，工作内存是每个线程的私有数据区域，而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，**但线程对变量的操作（读写赋值等）必须在工作内存中进行，首先要将变量从主内存拷贝到线程自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存**，不能直接操作主内存中的变量，各个线程的工作内容中存储这主内存中的变量副本拷贝，因此不同线程间无法访问对象的工作内存，线程间的通讯（传值）必须要通过主内存完成

![在这里插入图片描述][9c22712dcd3a411d901581aa82e32ddd.png_pic_center]

JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系

1.  线程之间的共享变量存储在主内存中（从硬件角度说就是内存条）
2.  每个线程都有一个私有的本地工作内存，本地工作内存存储了该线程用来读/写共享变量的副本（从硬件角度来说就是CPUI的缓存，比如寄存器，L1、L2、L3）

## 4. 多线程先行发生原则之happens-before ##

**在JMM中，如果一个操作执行结果需要对另外一个操作可见性或者代码重排序，那么这两个操作之间必须存在happens-before(先行发生)原则**

> 如果Java内存模型中所有有序性都依靠volatile和synchronized来完成，那么有很多操作都将变很罗嗦
> 
> 但是我们没有每次都加这两个关键字来完成程序，这是因为Java余元中JMM原则下有一个“先行发生”的原则限制和规矩

这个规则判断数据是否存在竞争，线程是否安全的非常有用手段。依赖这个手段，就可以解决并发环境下的两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题，而不需要陷入java内存模型苦涩难懂的底层编译原理之中

> 如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将会对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前
> 
> 两个操作之间存在happens-before关系，并不意味这一定要按照happens-before原则指定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果与按照happens-before关系来执行的结一致，那么这种重排序并不合法的

--------------------

## 5. happens-before的8条规则 ##

1.  次序规则：按照代码顺序，写在前面的操作先行发生与写在后面的操作
2.  锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面（（这里的后面是指时间上的先后））对同一个锁的lock操作
3.  volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作，前面的写对后面的读是可见的，这里的“后面”是指时间上的先后
4.  传递规则：如果操作A先行发生与操作B，而操作B又先行发生于操作C，那么可以得出操作A先行发生操作C
5.  线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作（也就是说线程里面的活动要想执行，必须先让线程start()）
6.  线程中断规则：对线程的interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生；可以通过Thread.interrupted()检测到是否发生中断；也就是说你要先调用interrupt()方法设置过中断标识位，我才能检测到中断发送
7.  线程终止规则：线程中所有操作都先行发生于此线程的终止检测，我们可以通过isAlive()等手段检测线程是否已经终止执行
8.  对象终结规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize()方法开始

--------------------

## 6. 总结 ##

A Happens-Before B意味着A发生过的事情对B来说是可见的，无论A事件还是B事件是否发生在一个线程里

JMM设计分为两部分：

*  一部分是给我们程序员提供的，也就是happens-before规则，它通俗易懂的向我们程序员阐述一个强内存模型，我们只要理解hanppens-before规则，就可以编写并发安全的程序了
 *  另一种是针对JVM实现的，为了尽可能少地对编译器和处理器做约束从而提高性能，JMM在不影响程序执行结果的前提下对其不做要求，即允许优化重新排序

--------------------

[img]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/03/fc2f29bd5c93414197696ccbeeeab78c.png
[d245de61666e4a49bbd983908af1acdc.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/03/97798f10d9f847949b6d1f31f7e03244.png
[85db73a0763d4f7dbe9c70e217835c07.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/03/60946c83a1304e8c93def5f798b92a30.png
[49a282b7addc440783514b5742ab1bfa.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/03/20ebbb4cf789476e9b898150bc9b1b20.png
[9c22712dcd3a411d901581aa82e32ddd.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/03/01e2f4a2af334b8fb1005455a96046c8.png