Java虚拟机的内存模型

Posted 2020-09-23 tlz888

一、问题起源

　　这篇文章的起源其实是博主想要学习Java并发，计算机程序需要并发运行的原因在于：一方面cpu越来越多核化，另

一方面就是cpu和存储以及通信子系统的速度差距太大，粗略来说，cpu速度是ns级，内存100ns，硬盘ms，内存比cpu慢100倍，

硬盘比cpu慢100万倍，如果cpu需要等待这些速度慢的多的小伙伴，势必造成计算资源的浪费。

物理机为了解决cpu与内存的速度差，在两者之间加入了缓存，有缓存就会引入新问题，即缓存一致性问题。

　　　　　　图1（图片来自参考文献【1】）

　　为了解决缓存一致性问题，各个cpu在访问缓存和主内存时需要遵守一定的缓存一致性协议，

而把对特定的内存和缓存的访问过程抽象出来，就称之为“内存模型”。

 

二、JVM的内存模型

　　如下图所示，与物理机中cpu访问内存的结构类似，JVM内存模型中，所有变量都存储在主内存（Main Memory）

每条线程有自己的工作内存（Working Memory），变量在不同线程间的传递需要通过主内存。

 　　　　　　 图2（图片来自参考文献【1】）

　　如上所述，变量在线程间的传递需要工作内存和主内存间的交互。这种交互要遵循一定的一致性协议。

这里简单称为“交互协议”，交互协议具体体现为8中原子操作和一些操作规则，如下：

>8种原子操作

1. lock：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占的状态；
2. unlock：作用于主内存的变量，把一个变量从一条线程独占的状态释放出来，释放后的变量才可以被其他线程上锁；
3. read：作用于主内存的变量，把一个变量从主内存传输到线程的工作内存，这一步仅仅是传输动作；
4. load：作用于工作内存的变量，把read中传输过来的变量放入工作内存的副本中；
5. use：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量传递给执行引擎，即线程在读取变量的值；
6. assign：作用于工作内存的变量，把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，即线程在写变量的值；
7. store：作用于工作内存的变量，把一个变量的值传输到主内存，这一步仅仅是传输动作；
8. write：作用于主内存的变量，把store过来的变量值放入主内存的变量中。

>操作规则

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的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变量同步到主内存中；
3. 不允许一个线程无原因地（没有发生过assign操作）把数据从线程的工作内存同步到主内存中；
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的变量，也就是说变量在use，store之前必须先执行了assign和load操作；
5. 一个变量在同一个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，而且，多次lock后，必须执行相同次数的unlock才能解锁变量；
6. 如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用变革变量前，需要重新执行load或assign操作初始化变量；
7. 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。
8. 对一个变量执行unlock操作前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store, write操作） 。

此外，volatile关键字比较特殊，需要单独说明：

　　volatile关键字具备两种语义特性：

　　一是保证变量对所有线程的“可见性”，即对于volatile变量，当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。

　　二是禁止指令重排序优化，

未完待添加。。。

 

　　并发环境下访问内存是否安全。

 

参考文献：

【1】深入理解Java虚拟机 by 周志明

【2】Java并发编程实战 机械工业出版社2012