Java并发编程之Java内存模型

 2019-12-10 16:11  阅读(946)
文章分类:Java Core

为了屏蔽各种硬件和和操作系统内存访问差异,从而实现JAVA程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。Java虚拟机规范中定义了java内存模型(JMM)。JMM是一种规范,规范了java虚拟机与计算机内存时如何协调工作的,它规定了一个线程如何和何时可以看到其他线程修改过的共享变量的值以及在必需时如何同步的访问共享变量。

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首先,我们需要先明确jvm内存分配的两个概念,Heap(堆)和Stack(栈)。

Heap(堆):Java里的堆是一个运行时的数据区,堆是有垃圾回收来负责的。堆的优势是可以动态的分配内存的大小,生成期也不事先告诉编译器。因为它是在运行时动态分配内存的。Java的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据。但是也有缺点:由于要在运行时动态分配内存,因此它的存取速度相对慢一些。

Stack(栈):栈的优势是存取速度比堆要快,仅次于计算机里的寄存器,Stack的数据是可以共享的。但是它的缺点是:存在栈中的数据大小与生成期必须时确定的,缺乏一些灵活性。栈中主要存放基本类型的变量(八大基本数据类型:int、short等以及对象句柄)。

JAVA内存模型要求调用栈和本地变量存放在线程栈上(Thread Stack),对象存放在堆上。一个本地变量,它也可能是指向一个对象的引用。这种情况下,引用这个本地变量它是存放在线程栈上。但是对象本身是存放在堆上的。一个对象,它可能包含方法(methodOne)等。方法可能包含本地变量(Local variable1).这些本地变量仍然存放在线程栈上。即使这些方法所属的对象存放在堆上。一个对象的成员变量可能会随着这个对象自身存放在堆上。不管这个成员变量是基本数据类型还是引用类型。静态成员变量,跟随着类的定义一起存放在堆上。存放在堆上的对象可以被所持有对该对象引用的线程访问。当一个线程可以访问一个对象的时候,它也可以访问这个对象的成员变量。如果两个线程同时调用同一个对象的同一个方法,它们都将访问这个对象的成员变量。但是每一个线程都拥有了这个成员变量的私有拷贝。

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上图是计算机架构的硬件架构的简单图示,每个cpu都包含一系列的寄存器,它们是cpu内存的基础。Cpu在寄存器上进行操作的速度远大于在主存上操作的速度(cpu访问寄存器的速度远大于主存)。由于计算机的存储设备与计算机的处理速度之间有着几个数量级的差距,所以现代的计算机都不得不加入一层读写速度近可能接近处理器运算速度的高速缓存,来作为内存与处理器之间的缓冲。将运算使用到的数据复制到缓存中让运算能快速的进行。当运算结束后再从缓存同步到内存之中。这样处理器就无需等待缓慢的内存读写了。CPU访问缓存层的速度快于访问主存的速度。但通常还是比访问寄存器的速度要慢。

一个计算机,还包含一个主存。所有的CPU都可以访问主存。主存通常比cpu的缓存大得多。通常情况下,当一个cpu需要读取主存的时候,它会将主存的部分读取到cpu缓存中,甚至可能将缓存中的部分内容读到寄存器中。当cpu需要将执行的结果回写到主存中,它会将寄存器的值刷新到缓存中然后在某个时间点将值刷新会主存。

Java内存模型与硬件架构的关联:

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Java内存模型与硬件架构之间是存在差异的。硬件内存架构没有区分线程栈和堆。对于硬件架构而言,所有的线程栈和堆都分布在主内存里。部分的线程栈和堆可能会出现在cpu缓存和寄存器中。

线程和主内存的抽象关系:

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线程之间的共享变量存储在主内存中。每个线程都有一个私有的本地内存。本地内存时java内存模型中的一个抽象的概念,它并不是真实存在的。它涵盖了缓存、写缓冲区,寄存器以及其他的硬件和编译器的优化。本地内存中存储了该线程以读或写共享变量的拷贝副本。从更低的层次来说,主内存就是硬件的内存,是为了获取更好的运行速度,虚拟机及硬件系统可能会让工作内存优先寄存器或者高速缓存中。Java内存模型中的线程工作内存是cpu的寄存器和高速缓存的抽象描述。JVM静态存储的内存模型(jvm内存模型)它只是一直对内存物理划分而已,它只局限在JVM内存。两个线程间通信需要经过以下两个步骤:线程A中需要把本地的内存A中的更新过的共享变量副本刷新到主内存中,线程B到主内存中去读取线程A之前已经更新过的变量。

JAVA内存模型同步的八个操作:

lock(锁定):作用于主内存的变量,把一个变量标识为一条线程独占状态;

unlock(解锁):作用于主内存变量,把一个出于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其他线程锁定;

read(读取):作用于主内存的变量,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):作用于主内存的变量,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个执行引擎;

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;

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操作;

write(写入):作用于工作内存的变量,它把stroe操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中;

Java内存模型同步规则:

1、如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存中,就需要按顺序地执行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。但java内存模型只要求上述操作必须按照顺序执行,而没有保证必须时连续执行。

  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,但lock操作可以被同一条线程重复执行多次,多次执行lock之后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。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)

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