JVM系列之JMM内存模型

Posted 2022-12-14 我就是马云飞

java内存划分

JMM规定了内存主要划分为主内存和工作内存两种。此处的主内存和工作内存跟JVM内存划分（堆、栈、方法区）是在不同的层次上进行的，如果非要对应起来，主内存对应的是Java堆中的对象实例部分，工作内存对应的是栈中的部分区域，从更底层的来说，主内存对应的是硬件的物理内存，工作内存对应的是寄存器和高速缓存。具体如图所示：

正常情况下，java中所有的数据都是放在主存中的，如图所示：

随着 CPU 技术的发展，CPU的执行速度越来越快，但内存的技术并没有太大的变化,如果JAVA线程每次读取和写入变量都直接操作主内存，对性能影响比较大，所以每条线程拥有各自的工作内存，工作内存中的变量是主内存中的一份拷贝，线程对变量的读取和写入，直接在工作内存中操作，而不能直接去操作主内存中的变量。

因此，为了“压榨”处理性能，达到“高并发”的效果，在CPU中添加了高速缓存（cache）来作为缓冲。

但是这样就会出现一个问题，当一个线程修改了自己工作内存中变量，对其他线程是不可见的，会导致线程不安全的问题。也就是缓存一致性的问题。

缓存一致性

现在市面上的手机通常有两个或者多个CPU，其中一些CPU还有多核。每个CPU在某一时刻都能运行一个线程，这就意味着，如果你的Java程序是多线程的，那么就有可能存在多个线程在同一时刻被不同的CPU执行的情况。

指令重排

除了缓存一致性问题，还存在另外一种硬件问题，也比较重要：为了使CPU内部的运算单元能够尽量被充分利用，处理器可能会对输入的字节码指令进行重排序处理，也就是处理器优化。除了CPU之外，很多编程语言的编译器也会有类似的优化，比如Java虚拟机的即时编译器（JIT）也会做指令重排。

比如如下代码：

int a = 1;
int b = 1;
a = a + 1;

经过CPU指令重排后，可能会变成如下代码：

int a = 1;
a = a + 1;
int b = 1;

如果我们任由 CPU 优化或者编译器指令重排，那我们编写的Java代码最终执行效果可能会极大的出乎意料。为了解决这个问题，让Java代码在不同硬件、不同操作系统中，输出的结果达到一致，Java 虚拟机规范提出了一套机制——Java 内存模型。

什么是java内存模型

JMM (Java Memory Model)是Java内存模型,JMM定义了程序中各个共享变量的访问规则,即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存读取变量这样的底层细节。解决了CPU多级缓存、CPU 优化、指令重排等导致的内存访问问题，从而保证Java程序（尤其是多线程程序）在各种平台下对内存的访问效果一致。

内存交互操作

内存交互操作有8种，虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的，不可在分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许例外）

• lock （锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态
• unlock （解锁）：作用于主内存的变量，它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，它把一个变量的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操作从主存中变量放入工作内存中
• use （使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令
• assign （赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
• store （存储）：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write使用
• write （写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中

JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则：

• 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load，使用了store必须write
• 不允许线程丢弃他最近的assign操作，即工作变量的数据改变了之后，必须告知主存
• 不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存
• 一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施use、store操作之前，必须经过assign和load操作
• 一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后，必须执行相同次数的unlock才能解锁
• 如果对一个变量进行lock操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，必须重新load或assign操作初始化变量的值
• 如果一个变量没有被lock，就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量
• 对一个变量进行unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存

Happens-before 先行发生原则

先行发生原则用于描述2个操作之间的内存可见性。意思就是当A操作先行发生于B操作，则在发生B操作的时候，操作A产生的影响能被B观察到，“影响”包括修改了内存中的共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。

JMM 中定义了以下几种情况是自动符合 happens-before 规则的：

• 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，程序的执行规则跟程序的书写规则是一致的，从上往下执行。
• 锁定规则（Monitor Lock Rule）：无论是在单线程环境还是多线程环境，一个锁如果处于被锁定状态，那么必须先执行 unlock 操作后才能进行 lock 操作。
• volatile变量规则（volatile Variable Rule）：对同一个volatile的变量，先行发生的写操作，肯定早于后续发生的读操作
• 线程启动规则（Thread Start Rule）：Thread 对象的 start() 方法先行发生于此线程的每一个动作。假定线程 A 在执行过程中，通过执行 ThreadB.start() 来启动线程 B，那么线程 A 对共享变量的修改在线程 B 开始执行后确保对线程 B 可见。
• 线程中止规则（Thread Termination Rule）：Thread对象的中止检测（如：Thread.join()，Thread.isAlive()等）操作，必行晚于线程中所有操作
• 线程中断规则（Thread Interruption Rule）：对线程的interruption（）调用，先于被调用的线程检测中断事件(Thread.interrupted())的发生
• 对象中止规则（Finalizer Rule）：一个对象的初始化方法先于一个方法执行Finalizer()方法
• 传递性（Transitivity）：如果操作A先于操作B、操作B先于操作C,则操作A先于操作C

总结

• Java 内存模型的来源：主要是因为CPU缓存和指令重排等优化会造成多线程程序结果不可控。

• Java 内存模型是什么：本质上它就是一套规范，在这套规范中有一条最重要的 happens-before 原则。

参考

拉勾教育 - android 工程师进阶34讲

本文首发于我的个人博客：Java JMM内存模型

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