JVM 之java内存模型

不念不忘少年蓝@ 2022-12-14 03:42 221阅读 0赞

# 一、硬件的效率与一致性   #

在计算机中处理器是用来处理任务的，而内存是用来存储数据的，计算器处理任务仅仅靠处理器是无法完成任务的，通常需要读取内存数据，处理器处理完后，再把处理结果保存到内存中。由于计算机的处理速度和存储速度有几个数量级的差距，所以计算机不得不加入一层速度更加接近处理器处理速度的高速缓存作为内存与处理器之间的缓冲。计算机把数据从内存复制到缓存中，使用处理器处理完毕后，再把处理后的数据同步到内存中。

但是在多个处理器中就会存在多个缓存，但是多个处理器又公用一个内存。当多个处理器处理数据涉及同一块主内存区域，可能会导致每个处理器的缓存数据不一致。为了解决这个问题，就要通过一些协议来解决缓存一致性。

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#  二、java内存模型 #

java内存模型规定了所有的变量都存在主内存中（虚拟机内存的一部分和硬件的主内存重名），每个线程还有自己的工作内存，工作内存中保存了每个线程自己需要的主内存中的数据，每个线程执行完成后，再把自己工作内存中的数据同步到主内存中。线程不能直接操作主内存，只能操作为每个线程分配的工作内存。

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# 三、内存间的交互操作 #

java内存模型中定义了8种操作用来进行内存之间的数据拷贝和同步。并且这8种操作都是原子性的操作。

lock(锁定)：作用于主内存，它把一个变量标记为一条线程独占状态；

read(读取)：作用于主内存，它把变量值从主内存传送到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用；

load(载入)：作用于工作内存，它把read操作的值放入工作内存中的变量副本中；

use(使用)：作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时候，将会执行这个动作；

assign(赋值)：作用于工作内存，它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时候，执行该操作；

store(存储)：作用于工作内存，它把工作内存中的一个变量传送给主内存中，以备随后的write操作使用；

write(写入)：作用于主内存，它把store传送值放到主内存中的变量中。

unlock(解锁)：作用于主内存，它将一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才能够被其他线程锁定；

除了这8个原子性操作，还必须满足如下规则：

（1）不允许read和load、store和write操作之一单独出现（即不允许一个变量从主存读取了但是工作内存不接受，或者从工作内存发起会写了但是主存不接受的情况），以上两个操作必须按顺序执行，但没有保证必须连续执行，也就是说，read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的。

（2）不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。

（3）不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。

（4）一个新的变量只能从主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，换句话说就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。

（5）一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其执行lock操作，但lock操作可以被同一个条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。

（6）如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。

（7）如果一个变量实现没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。

（8）对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存（执行store和write操作）

# 四、JVM原子性、可见性、有序性 #

Java内存模型是围绕着并发过程中如何处理原子性、可见性、有序性这三个特征来建立的。

1.原子性(Atomicity)

原子性是指一个操作是不可中断的。即使是在多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始就不会被其他线程干扰。

由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、use、assign、store和write六个，大致可以认为基础数据类型的访问和读写是具备原子性的。如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock与unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐匿地使用这两个操作，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块—synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。

2.可见性(Visibility)

可见性就是指当一个线程修改了线程共享变量的值，其它线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存，在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方法来实现可见性的，无论是普通变量还是volatile变量都是如此，普通变量与volatile变量的区别是volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存（不使用缓存），以及每使用前立即从内存刷新。因为我们可以说volatile保证了线程操作时变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。除了volatile之外，Java还有两个关键字能实现可见性，它们是synchronized以及final。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中(执行store和write操作)”这条规则获得的，而final关键字的可见性是指：被final修饰的字段是构造器一旦初始化完成，并且构造器没有把“this”引用传递出去，那么在其它线程中就能看见final字段的值。

3.有序性(Ordering)

Java内存模型中的程序天然有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行语义”，后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存主主内存同步延迟”现象。

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则来获得的，这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

导致有序性的问题主要是因为“指令重排”。其原因是CPU引入了流水线的操作方式。虽然Java虚拟机和执行系统会对指令进行一定的重排，但是指令重排是有原则的。

# 五、先行发生原则 #

如果java程序中的有序性都靠volatile和synchronized来完成，那么会很繁琐，但是我们编写并发代码并没有感受到这一点，就是因为java语言中有一个‘先行发生’（happens-before）的原则。

1.程序顺序原则：一个线程内保证语义的串行性。其意思为：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说应该是控制流顺序而不是程序代码顺序，因为要考虑分支、循环结构。

2.锁原则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是同一个锁，而”后面“是指时间上的先后顺序。

3.volatile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取操作，这里的”后面“同样指时间上的先后顺序。

4.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。

5.线程终于规则：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止（Thread.join()）

6.线程中断规则：对线程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()方法检测是否有中断发生。

7.对象终结规则：一个对象初始化完成(构造方法执行完成)先行发生于它的finalize()方法的开始。

8.传递性规则：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

这是程序中天然存在的先行发生关系，可以在编码中直接使用，如果2个操作的关系不在此列，或者由这些规则无法推导出来，它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们进行任意的重排序。

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