Java内存模型(一)——基础

 2019-12-10 11:17  阅读(829)
文章分类:Java Core

Java的并发采用的是共享内存模型,Java线程之间的通信由Java内存模型(本文简称为JMM)控制,且总是隐式进行,整个通信过程对程序员完全透明。如果编写多线程程序的Java程序员不理解隐式进行的线程之间通信的工作机制,很可能会遇到各种奇怪的内存可见性问题。

一、概述

  Java虚拟机规范试图定义一种Java内存模型(Java Memory Model,JMM),来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异,以实现Java程序在各种平台下都能达到一致地内存访问效果。其模型必须定义得足够严谨,才能让并发内存访问操作不会发生歧义;但是也必须宽松,是的虚拟机的实现有足够的自由空间去利用硬件的各种特性(寄存器,高速缓存和指令集中某些特有的指令)来获得更好的执行速度。经过长时间的验证和修补,在JDK1.5(实现JSR-133)发布后,Java内存模型就已经成熟和完善起来了。

二、工作内存和主内存

  Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则,即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样底层细节。此处的变量与Java编程时所说的变量不一样,指包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素,但是不包括局部变量与方法参数,后者是线程私有的,不会被共享。Java模型没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主存进行交互,也没有限制即时编译器进行调整代码执行顺序这列优化措施。

1、主内存:Java内存模型规定了所有变量都存储在主内存中(Main Memory)中

2、工作内存:每条线程有自己的工作内存(Working Memory),用来保存被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝。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。其关系如下图所示。

2019121000174\_1.png

Java内存模型的抽象示意图如下:

2019121000174\_2.png

3、线程通讯

  从上图来看,线程A与线程B之间如要通信的话,必须要经历下面2个步骤:

  首先,线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。

  然后,线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

  下面通过示意图来说明这两个步骤:

2019121000174\_3.png

  

  如上图所示,本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本。假设初始时,这三个内存中的x值都为0。线程A在执行时,把更新后的x值(假设值为1)临时存放在自己的本地内存A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。随后,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。

  从整体来看,这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息,而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互,来为java程序员提供内存可见性保证。

三、内存操作

  关于主内存和工作内存之间的具体的交互协议,即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存,如何从工作内存同步回主内存之类的细节,java内存模型中定义了8中操作来完成。虚拟机实现时必须保证这8中操作都是原子的,不可再分的。

  • lock(锁定):作用于主内存,它把一个变量标示为一个线程独占的状态;
  • Unlock(解锁):作用于主内存,它把一个处于锁定状态 的变量释放,释放后,其他线程可以对此变量进行锁定;
  • Read(读取):作用于主内存变量,把一个变量值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用;
  • load(载入):作用于工作内存的变量,它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
  • use(使用):作用于工作内存的变量,把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
  • assign(赋值):作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
  • store(存储):作用于工作内存的变量,把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中,以便随后的write的操作。
  • write(写入):作用于主内存的变量,它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

  如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存,就需要按顺寻地执行read和load操作,如果把变量从工作内存中同步回主内存中,就要按顺序地执行store和write操作。Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行,而没有保证必须是连续执行。也就是read和load之间,store和write之间是可以插入其他指令的,如对主内存中的变量a、b进行访问时,可能的顺序是read a,read b,load b, load a。Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时,必须满足如下规则:

  • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现
  • 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作,即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
  • 不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从工作内存同步回主内存中。
  • 一个新的变量只能在主内存中诞生,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。即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。
  • 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作,lock和unlock必须成对出现
  • 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
  • 如果一个变量事先没有被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。
  • 对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步到主内存中(执行store和write操作)。
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