多线程理解(三) JMM(java内存模型)

 2019-12-10 16:19  阅读(1252)
文章分类:Java Core
  1. JMM是什么:是一种规范,规范了虚拟机与计算机内存是 如何协同工作的。规定了一个线程如何和何时可以看到由 其他线程修改过后的共享变量的值,以及在必须时如何同 步的访问共享变量。
  2. 为什么要定义JMM模型:为了屏蔽各种硬件和操作系统 内存访问的差异,以实现让java程序在各种平台下都实现 一致的并发效果。
  3. JVM内存分配的概念:

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JVM内存分配的两个概念,一个是堆(Heap),一个是栈(Stack)。

堆是可以在运行期动态分配内存大小,由于是在运行期动态分配内存大小,所以存取速度相对慢慢。

栈的存取速度较快,仅次于计算机里的寄存器,栈的数据可以共享的,缺点是栈中的数据大小与生存期必须是确定的。栈中主要存放一些基本类型的变量,比如我们小写的int,short,long,double,float,byte,char。

Java内存模型要求调用栈和本地变量存放在线程栈上,对象存放在堆上。一个本地变量也可能是指向对象的引用,这时,引用本地变量是存在线程栈上的,对象是存在堆上面的。例如上图的Local variable1 和Object1。

存放在堆上的对象可以被所持有对这个对象引用的线程访问。当一个线程可以访问一个对象,他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,那么这两个线程都拥有这个成员变量的私有拷贝。

  1. 计算机中的CPU模型:

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寄存器:每个CPU都包含一系列的寄存器,他们是CPU内存的基础。CPU在寄存器上的操作速度远大于在主存上的操作速度,因为CPU访问寄存器的速度远大于主存。

高速缓存cache:由于计算机的存储设备与计算机的处理速度有着几个数量级的差距,所以加入高速缓存cache,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,让运算能够快速进行,当运算结束后再从缓存同步回内存,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,但通常比访问内部寄存器的速度还要慢一点。

内存: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的缓存大的多。

运作原理:通常情况下,当一个CPU需要读取主存的话,会将主存的部分读取到CPU缓存中,甚至可以将CPU缓存中的内存读取到寄存器里面,然后在寄存器中执行操作。当CPU需要将结果回写到主存时,将内部寄存器的值刷新回缓存中,然后将值刷新回主存。

  1. Java内存模型与硬件架构之间的关联

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通过对前面计算机中的CPU模型的了解,我们知道了多线程的执行最终会映射到硬件处理器上进行执行,但JAVA内存模型和CPU模型并不完全一致。对于硬件内存来说,只有寄存器、缓存内存、主内存的概念,并没有工作内存和主内存的区分。所以JMM只是一种抽象的概念,是一组规则,并不实际存在。因此,JMM和计算机硬件内存架构是一个相互交叉的关系,是一种抽象概念划分和真实物理硬件的交叉(对于Java内存区域划分也是同样的道理)。

  1. Java内存模型抽象结构图

Java内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存中,每条线程还有自己的工作内存,线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量到主内存副本拷贝,线程对变量的所有操作(读取、赋值)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在主内存来完成,线程、主内存和工作内存的交互关系如下图所示。

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Java内存模型抽象结构图

  1. 内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间的具体交互协议,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到主内存之间的实现细节,java内存模型定义了一下八种操作来完成:

  • 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,把一个处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。
  • aggign(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。

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图为内存间交互的流程图

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。Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行,而没有保证必须时连续执行。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assgin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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