Java内存模型(JMM)

 2019-12-10 11:16  阅读(820)
文章分类:Java Core

JSR-133: Java Memory Model and Thread Specification(下载)

JSR 133 (Java Memory Model) FAQ翻译

一、硬件的效率与一致性

1.缓存

  在了解JVM并发相关知识前,应先花时间了解一下物理机中的并发问题,物理机遇到的并发问题与JVM中的情况有不少相似之处,物理机对并发的处理方案对于JVM的实现也具有很大的参考性。

  由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距,所以现代计算机系统都不得不加入一层高速缓存(其读写速度接近处理器运算速度),来作为内存与处理器中间的缓存:将运算需要使用到的数据复制到缓存中,让运算能快速进行,当运算结束后再从缓存同步回内存之中,这样处理器就无需等待缓存的内存读写了。

  高速缓存很好的解决了处理器与内存的速度矛盾,但也为计算机系统带来了一个新的问题:缓存一致性(Cache Coherence)。

在多处理器系统中,每个处理器都有自己的高速缓存,而它们又共享同一主内存(Main Memory)时。当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时,将可能导致各自的缓存数据不一致,如果真的发生这种情况,那同步回主内存时以谁的缓存数据为准呢?为了解决一致性的问题,需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议,在读写时要根据协议来进行操作,这些协议有MSI、MESI、MOSI、Synaps、Firefly及Dragon Protocol等。

不同架构的物理机器可以拥有不一样的内存模型,JVM也有自己的内存模型,并且与上面的内存访问操作与硬件的缓存访问操作具有很高的可比性。

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2.重排序

除了增加高速缓存外,为了使处理器内部的运算单元能尽量被充分利用,处理器可能会对输入代码进行乱序执行(Out-Of-Order Execution)优化,处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组,保证该结果与顺序执行的结果是一致的,但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致。因此,如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果,那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似,JVM的即时编译器(JIT)中也有类似的指令重排序(Instruction Reorder)优化。

二、Java内存模型(JMM)

  JVM规范中试图定义一种Java内存模型来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性的内存访问效果。C/C++等可以直接使用物理硬件和操作系统的内存模型,因此,会由于不同平台上内存模型的差异,有可能导致程序在一套平台上并发完成正常,而在另外一套平台上并发访问经常出错,因此某些场景就必须针对不同的平台来编写程序。

  Java内存模型经过长时间的验证和修补,在JDK5(实现了JSR133)发布后,Java内存模型已经成熟和完善起来。

1.主内存与工作内存

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(左侧是针对物理硬件,右侧才是针对JVM系统,注意将两者进行类比)

硬件主内存——JVM主内存类比

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中(右侧的主内存仅仅是JVM内存的一部分)。

高速缓存——工作内存类比

每个线程都有自己的工作内存,工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝,线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

2.内存间交互操作

3.对于volatile型变量的特殊规则

4.对long和double型变量的特殊规则

5.原子性、可见性与有序性

6.Happen Before(先行发生原则)

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总结

1.硬件系统中为了提升效率,都使用了哪些优化手段?JVM是否也存在这样的设计?

使用了缓存、重排序。

JVM中也有与硬件系统具有很高的类比性。JVM中每个线程的工作内存就缓存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝。JVM的JIT即时编译器中也有类似的指令重排序优化。

2.为什么要有Java内存模型?

为了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性的内存访问效果。

3.什么是Java内存模型?

4.原子性、可见性、有序性在JMM中的体现?

5.happen—before(先行发生原则)的作用是什么?包括哪几条规则?

先行发生原则是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据,依靠这个原则,我们可以通过几条规则一揽子地解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题。

参考书籍:《深入理解Java虚拟机:JVM高级特性与最佳实战》第2版第12章

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