(转)Java 内存模型

 2019-12-10 15:51  阅读(895)
文章分类:Java Core

JMM:Java Memory Model(Java 内存模型)

Java 内存模型:描述程序中各变量(实例域、静态域和数组元素)之间的关系,以及在实际计算机系统中将变量存储到内存和从内存取出变量这样的低层细节。

在不同的平台,内存模型是不一样的,但是jvm的内存模型规范是统一的。其实java的多线程并发问题最终都会反映在java的内存模型上,所谓线程安全无非是要控制多个线程对某个资源的有序访问或修改。总结java的内存模型,要解决两个主要的问题:可见性和有序性。

一个线程可以执行的操作有:使用(use)、赋值(assign)、装载(load)、存储(store)、锁定(lock)、解锁(unlock),而从主内存可以执行的操作有:读(read)、写(write)、锁定(lock)、解锁(unlock),每一个操作都是原子的。

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可见性:多个线程之间是不能互相传递数据通信的,它们之间的沟通只能通过共享变量来进行。Java内存模型(JMM)规定了jvm有主内存,主内存是多个线程共享的。当new一个对象的时候,也是被分配在主内存中,每个线程都有自己的工作内存,工作内存存储了主存的某些对象的副本,当然线程的工作内存大小是有限制的。当线程操作某个对象时,执行顺序如下:

  1. 从主存复制变量到当前工作内存(read and load)
  2. 执行代码,改变共享变量值 (use and assign)
  3. 用工作内存数据刷新主存相关内容 (store and write)

JVM规范定义了线程对主存的操作指令:read,load,use,assign,store,write。当一个共享变量在多个线程的工作内存中都有副本时,如果一个线程修改了这个共享变量,那么其他线程应该能够看到这个被修改后的值,这就是多线程的可见性问题。

有序性:通过Java提供的同步机制或volatile关键字,来保证内存的访问顺序。

线程在引用变量时不能直接从主内存中引用,如果线程工作内存中没有该变量,则会从主内存中拷贝一个副本到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该副本。当同一线程再度引用该字段时,有可能重新从主存中获取变量副本(read-load-use),也有可能直接引用原来的副本(use),也就是说 read,load,use顺序可以由JVM实现系统决定。

线程不能直接为主存中中字段赋值,它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign),完成后这个变量副本会同步到主存储区(store – write),至于何时同步过去,根据JVM实现系统决定。有该字段,则会从主内存中将该字段赋值到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该变量副本,当同一线程多次重复对字段赋值时,比如:

for (int i = 0; i < 10; i++)
          x++;

线程有可能只对工作内存中的副本进行赋值,只到最后一次赋值后才同步到主存储区,所以assign,store,weite 顺序可以由JVM实现系统决定。假设有一个共享变量x,线程a执行x=x+1。从上面的描述中可以知道x=x+1并不是一个原子操作,它的执行过程如下:

  1. 从主存中读取变量x副本到工作内存
  2. 给x加1
  3. 将x加1后的值写回主存

如果另外一个线程b执行x=x-1,执行过程如下:

  1. 从主存中读取变量x副本到工作内存
  2. 给x减1
  3. 将x减1后的值写回主存

那么显然,最终的x的值是不可靠的。假设x现在为10,线程a加1,线程b减1,从表面上看,似乎最终x还是为10,但是多线程情况下会有这种情况发生:

  1. 线程a从主存读取x副本到工作内存,工作内存中x值为10
  2. 线程b从主存读取x副本到工作内存,工作内存中x值为10
  3. 线程a将工作内存中x加1,工作内存中x值为11
  4. 线程a将x提交主存中,主存中x为11
  5. 线程b将工作内存中x值减1,工作内存中x值为9
  6. 线程b将x提交到中主存中,主存中x为9

因为线程的执行顺序是不可预见的。这是java同步产生的根源,synchronized关键字保证了多个线程对于同步块是互斥的,synchronized作为一种同步手段,解决java多线程的执行有序性和内存可见性,而volatile关键字之解决多线程的内存可见性问题。JDK中还是其它工具保证happens-before ordering(先行发生排序):

  • synchronized
  • volatile
  • final
  • java.util.concurrent.locks
  • java.util.concurrent.atmoic

synchronized:

  1. 获取对象监视器的锁(lock)
  2. 清空工作内存数据, 从主存复制变量到当前工作内存, 即同步数据 (read and load)
  3. 执行代码,改变共享变量值 (use and assign)
  4. 将工作内存数据刷回主存(store and write)
  5. 释放对象监视器的锁 (unlock)

注意: 其中4,5两步是同时进行的,这边最核心的就是第二步,他同步了主内存,即前一个线程对变量改动的结果,可以被当前线程获知。(利用了happens-before ordering原则)

volatile:volatile是java提供的一种同步手段,只不过它是轻量级的同步,为什么这么说,因为volatile只能保证多线程的内存可见性,不能保证多线程的执行有序性。而最彻底的同步要保证有序性和可见性,例如synchronized。任何被volatile修饰的变量,都不拷贝副本到工作内存,任何修改都及时写在主存。因此对于Valatile修饰的变量的修改,所有线程马上就能看到,但是volatile不能保证对变量的修改是有序的。

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