初探JVM系列(四) Java 内存模型

 2019-12-10 15:54  阅读(947)
文章分类:Java Core

初探JVM系列博客

主要内:

  • 基本概念
  • JMM模型
  • 指令重排
  • 内存屏障

1.基本概念:

1.1原子性:一个操作或多个操作要么全部执行完成且执行过程不被中断,要么就不执行(具有不可分割性)。

具有原子性操作:

x = 10; 也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。

不具有原子性操作:

y = x; 包含2个操作,它先要去读取x的值,再将x的值写入工作内存。

x++; x = x + 1;

同样的,x++和 x = x+1包括3个操作:读取x的值,进行加1操作,写入新的值。

1.2可见性:当多个线程同时访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。

1.3有序性:程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

1.4JMM规定了8种操作原子:

unlock(解锁)、read(读取)、load(载入)、use(使用)、assign(赋值)、store(存储)、write(写入)

**1.5Java****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:**

  1. 不允许read和load、store和write操作之一单独出现
  2. 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。
  3. 不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从工作内存同步回主内存中。
  4. 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。
  5. 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
  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。
  8. 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)。

1.6先行发生原则(JVM只能按照先行发生原则进行指令重排序)

  • 先行发生原则(Happens-Before)是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据。
  • 先行发生是Java内存,模型中定义的两项操作之间的偏序关系,如果操作A先行发生于操作B,那么操作A产生的影响能够被操作B观察到。

Java内存模型中存在的天然的先行发生关系:

  1. 程序次序规则:同一个线程内,按照代码出现的顺序,前面的代码先行于后面的代码,准确的说是控制流顺序,因为要考虑到分支和循环结构。
  2. 管程锁定规则:一个unlock操作先行发生于后面(时间上)对同一个锁的lock操作。
  3. volatile变量规则:对一个volatile变量的写操作先行发生于后面(时间上)对这个变量的读操作。
  4. 线程启动规则:Thread的start( )方法先行发生于这个线程的每一个操作。
  5. 线程终止规则:线程的所有操作都先行于此线程的终止检测。可以通过Thread.join( )方法结束、Thread.isAlive( )的返回值等手段检测线程的终止。
  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.interrupt( )方法检测线程是否中断
  7. 对象终结规则:一个对象的初始化完成先行于发生它的finalize()方法的开始。
  8. 传递性:如果操作A先行于操作B,操作B先行于操作C,那么操作A先行于操

2.JVM模型

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中,每一个线程有自己的工作内存。工作内存和主存独立。工作内存存放主存中变量的值的拷贝。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。

20191210001402\_1.png

如上图当A线程把工作内存的变量赋值为X=2,对于B线程无法保证内存可见性

20191210001402\_2.png

2.1保证可见性的方法:

  • Volatile
  • synchronized (unlock之前,写变量值回主存)(避免指令重排造成的影响)
  • final(一旦初始化完成,其他线程就可见)

2.2指令重排:(单线程情况下重排指令不可影响结果)(**遵守先行发生原则**)

不可重排语句:

写后读 x=1;y=x;

写后写 x=1;x=2;

读后写 x=y;y=1;

可重排语句:

X=1;y=2;

2.3指令重排:破坏了线程间的有序性:

20191210001402\_3.png

20191210001402\_4.png

2.4指令重排:保证有序性的方法:

20191210001402\_5.png

2.5内存屏障

硬件: Load Barrier Store Barrier

volatile 写操作之间插入 storestore屏障 , 在写操作之后插入storeload屏障

volatile 读操作之前插入loadload屏障、 在读操作之后插入loadstore屏障

JAVA指令:

屏障类型 指令示例 说明
屏障类型 指令示例 说明
LoadLoadBarriers Load1;LoadLoad;Load2 确保Load1数据的装载,之前于Load2及所有后续装载指令的装载。
StoreStoreBarriers Store1;StoreStore;Store2 确保Store1数据对其他处理器可见(刷新到内存),之前于Store2及所有后续存储指令的存储。
LoadStoreBarriers Load1;LoadStore;Store2 确保Load1数据装载,之前于Store2及所有后续的存储指令刷新到内存。
StoreLoadBarriers Store1;StoreLoad;Load2 确保Store1数据对其他处理器变得可见(指刷新到内存),之前于Load2及所有后续装载指令的装载。StoreLoadBarriers会使该屏障之前的所有内存访问指令(存储和装载指令)完成之后,才执行该屏障之后的内存访问指令。

下面是保守策略下,volatile 写操作 插入内存屏障后生成的指令序列示意图

20191210001402\_6.png

下面是在保守策略下,volatile 读操作 插入内存屏障后生成的指令序列示意图:

20191210001402\_7.png

2.6volatile 原理:

因为存在内存屏障原因

当线程A把X赋值为2时

线程B会等待A线程把X的值同步到主内存才能获取到X=2的值并使用;

20191210001402\_8.png

参考:http://www.54tianzhisheng.cn/2018/02/28/Java-Memory-Model/

参考:点击打开链接http://www.cnblogs.com/smyhvae/p/4748392.html

参考书籍《深入理解JVM》(第二版)

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