【JVM原理】Java 内存模型

傷城~ 2023-06-16 01:59 7阅读 0赞

# 前言 #

Github：[https://github.com/yihonglei/jdk-source-code-reading][https_github.com_yihonglei_jdk-source-code-reading]（java-concurrent）

# 一 并发编程模型 #

Java 线程之间主要有两种通信方式：共享内存和消息传递。

## 1、共享内存 ##

在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，通过写-读内存中的公共状态

进行隐式通信。

## 2、消息传递 ##

在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过发送消息来显式进行通信。

## 3、同步 ##

同步是指程序中用于控制不同线程间操作发生相对顺序的机制。

# 二 Java 线程通信 #

Java 线程之间的通信由 Java 内存模型（JMM）控制，JMM 决定一个线程对共享变量的

写入何时对另外一个线程可见。从抽象角度来看，JMM 定义了线程和主内存之间的抽象关系：

线程之间的共享变量存储在主内存（Main Memory）中，每个线程都有一个私有的本地

内存（Local Memory）,本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是

JMM 的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件

和编译器优化。

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从线程 A 与 B 之间通信需要经历 2 个必要步骤：

step1：线程 A 将本地更新过的共享内存刷新到主内存中去；

step2：线程 B 去主内存读取线程 A 已经更新过的共享变量；

来个实例说明下线程 A 与 B 之间是如何进行通信的，示意图：

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线程 A 和线程 B 有主内存中共享变量 X 的副本。

假设初始时，这三个内存中 X 都为 0，线程 A 执行时，把更新后的 X 值（假设为1）临时

存放在自己的本地内存中，当线程 A 和线程 B 需要通信时，线程A首先会把自己本地内存

中修改后的X值刷新到主内存中，此时主内存中的 X值变为了 1。然后，线程 B 到主内存中

去读取线程 A 更新后的 X 值，此时线程 B 的本地内存的 X 值也变为了 1。线程 A 与线程 B

经过主内存通信，对于程序员来说JMM通过控制主内存与每个线程本地内存之间的交互，

为 Java 程序员提供了内存的可见性保证。

# 三 Java 内存模型 和 volatile 关键字总结 #

[volatile 实现原理][volatile]

## 1、CPU 的 MESI 解决了什么问题？它又带来了什么问题？ ##

MESI 缓存一致性协议，保证了每个缓存中使用的共享变量副本是一致的。

会导致性能下降，当某个 Cache Line 标记为 Invalid 状态，或者当某 Cache Line

当前状态为 Invalid 时写入新的数据。这两个操作都比较耗时，如果 CPU 在这两个过程中

一直等待的话，性能就会存在问题。CPU 通过 Store Buffer 和 Invalidate Queue 组件来降低

这类操作的延时。

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# 2、什么是指令重排（重排序）？指令重排的作用？ #

**指令重排**：在执行程序时为了提高性能，程序指令的执行顺序有可能和代码的顺序不一致。

**重排分类：**

*  编译器重排序。对于没有依赖关系的语句，编译器重新调整语句的执行顺序。
 *  CPU 指令重排序。在指令级别，让没有依赖关系的多条指令并行执行。
 *  内存系统的重排序。CPU 使用缓存和读/写缓冲区，指令执行顺序和写入主内存顺序不完全一致。

![20210202151145244.png][]

**指令重排作用：**充分利用多核 CPU，多级缓存等进行适当的指令重排序，使程序在保证业务

运行的同时，最大限度提升性能。

# 3、happens-before 是什么？它解决了什么问题？它有哪些规则？ #

由于指令重排的特性，为了保证程序在多线程的条件下运行结果能够与单一线程下一致，

引入了 happens-before 规则。happens-before 规则的主要目的是用来确保并发情况下

数据的正确性。指令重排序用于提升性能，happends-before 用于保证数据的正确性。

happens-before 规则：

*  程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作，happens-before 于书写在后面的操作。
 *  锁定规则：一个 unLock 操作，happens-before 于后面对同一个锁的 lock 操作。
 *  volatile 变量规则：对一个volatile变量的写操作，happens-before 于后面对这个变量的读操作。
 *  传递规则：如果操作 A happens-before 操作 B，而操作 B happens-before 操作C，则可以得出，操作 A happens-before 操作C
 *  线程启动规则：Thread 对象的 start 方法，happens-before 此线程的每个一个动作。
 *  线程中断规则：对线程 interrupt 方法的调用，happens-before 被中断线程的代码检测到中断事件的发生。
 *  线程终结规则：线程中所有的操作，都 happens-before 线程的终止检测，我们可以通过Thread.join() 方法结束、Thread.isAlive() 的返回值手段，检测到线程已经终止执行。
 *  对象终结规则：一个对象的初始化完成，happens-before 它的 finalize() 方法的开始。

# 4、什么是 Java 内存模型，它解决了哪些问题？ #

Java 内存模型（Java Memory Model），JMM 定义了线程和主内存之间的关系。

线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中，每个线程都有一个私有的

本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。

在硬件内存模型中，各种 CPU 架构的实现是不尽相同的，Java 作为跨平台的语言，

为了屏蔽底层硬件的差异，定义了 Java 内存模型（JMM）。JMM 作用于 JVM 和底层

硬件之间，屏蔽了下游不同硬件模型带来的差异，为上游开发者提供了统一的使用接口。

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JMM 解决了原子性、可见性、有序性这三方面的问题，称之为 JMM 的三大特性。

**原子性：**保证一系列操作要么全部完成，要么全部失败。JMM 通过关键字 synchronized

实现原子性。底层通过 monitorenter 和 monitorexit 命令实现。

**可见性：**共享变量的修改对其他线程可见。JMM 通过 volatile 关键字保证对共享变量的修改，

马上刷新到主内存，其他线程操作共享变量必须重新从主内存获取副本。

**有序性：**保证程序按照正确的顺序执行。实现禁止指令重排序可以通过 volatile 添加

内存屏障、happens-before 保证顺序性。

# 5、volatile 关键字有哪些特性？ #

volatile 是 Java 虚拟机提供的轻量级的同步机制。

volatile 特性：可见性，有序性（禁止指令重排），但是不保证原子性。

volatile 变量不能用作现线程安全的计数器。

# 6、什么是内存屏障？它解决了什么问题？ #

对于处理器重排序，JMM 处理器重排序规则会要求 Java 编译器在生成指令序列时，

插入特定类型的内存屏（Memory Barries，Intel 称之为 Memory Fence）指令，

通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

# 7、volatile 如何防止指令重排？ #

Lock 前缀指令实际上相当于一个内存屏障(也成内存栅栏)，它确保指令重排序时不会把其

后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面，即在执行

到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成，保证指令不会进行重排序。

# 8、volatile 如何保证内存可见性？volatile 能保证原子性吗？ #

volatile 变量进行写操作时，JVM 会向处理器发送一条 Lock\# 前缀的指令，将这个变量所在

缓存行的数据写回到系统内存，同时其他 CPU 里缓存该内存地址的数据无效。线程在进行

读操作时，发现本地内存无效，然后从主内存获取最新的数据，从而保证多核 CPU 以及

多线程的数据可见性。

Lock\# 前缀多核处理器下的作用：

*  将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
 *  这个写回内存的操作会使在其他 CPU 里缓存了该内存地址的数据无效。

volatile 不是原子性的，要保证原子性，需要加锁处理。

# 9、volatile 主要的使用场景？ #

需要保证多线程对共享变量的可见性时使用，比如 AQS 的 state 控制共享资源。

# 10、volatile 和 synchronized 和 ReentrantLock 的区别？ #

volatile：轻量级同步机制，具有可见性和禁止指令重排序特性，保证不了原子性。

synchronized：JVM 层级的加锁机制，保证原子操作。

ReentrantLock：Java api 层级的锁机制，基于 AQS 控制 volatile 的 state 同步状态，

保证操作的原子性，提供了更加灵活丰富的锁获取和释放机制。

# 参考 #

深入理解Java内存模型（一）——基础（[http://ifeve.com/java-memory-model-1/][http_ifeve.com_java-memory-model-1]）

[https_github.com_yihonglei_jdk-source-code-reading]: https://github.com/yihonglei/jdk-source-code-reading
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[volatile]: https://jpeony.blog.csdn.net/article/details/87072642
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[http_ifeve.com_java-memory-model-1]: http://ifeve.com/java-memory-model-1/