Java内存模型

Posted 2020-10-11 BINGJJFLY

硬件设备

　　处理器的运算速度很快，但是处理器又要和内存打交道，读取运算数据、存储运算结果的过程很缓慢，此时需要一个高速缓存，运算时将数据复制到缓存中，运算完成后将结果同步会内存，处理器无需等待内存读写加快速度。但是会产生缓存一致性问题，需要依赖一定的协议。“内存模型”可以理解为在特定的协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。　

　　

Java内存模型

主内存和工作内存

　　所有的变量（实例字段、静态字段、构成数组对象的元素）都存储在主内存中（与硬件主内存类比，线程共享，主要对应Java堆中的实例数据）。每条线程都有自己的工作内存（与硬件高速缓存类比，线程不共享，主要对应虚拟机栈中的部分数据），线程的工作内存保存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的操作（读写、赋值）都在工作内存中进行，不能直接操作主内存的变量，不同线程之间不能互相访问对方工作内存中的变量，只能通过主内存来访问。

　　

主内存与工作内存之间的交互操作

　　lock（锁定）：作用于主内存的变量，将主内存中的一个变量标志为一条线程独占状态。

　　unlock（解锁）：作用于主内存的变量，将标识为线程独占状态的变量释放出啦，之后才能被其他线程 lock。

　　read（读取）：作用于主内存的变量，将一个变量的值传输到工作内存中，以便 load 操作。

　　load（载入）：作用于工作内存的变量，把 read 操作得到的变量值放入到变量副本中。

　　use（使用）：作用于工作内存的变量，将变量的值传递给执行引擎，虚拟机遇到使用变量的值的字节码指令时执行该操作。

　　assign（赋值）：作用于工作内存的变量，把从执行引擎获得的值赋值给工作内存的变量，虚拟机遇到给变量赋值的字节码指令时执行该操作。

　　store（存储）：作用于工作内存的变量，将变量传送到主内存中，以便 write 操作。

　　write（写入）：作用于主内存的变量，把 store 操作得到的变量值放入到主内存的变量中。

volatile型变量

　　当一个变量用volatile修饰时，该变量具备两个特性：一是该变量对所有线程可见，二是禁止指令重排序优化（有序性）。

线程可见　　

　　对所有线程可见是指一条线程修改了该变量的值，新值对于其他线程可以立即得知。普通变量需要通过主内存和工作内存交互才可见。

　　volatile修饰的变量的运算在并发下可能是不安全的。

package com.wjz.demo;

public class VolatileDemo {
    public static volatile int val = 0;
    public static final int THREAD_COUNT = 20;
    public static void add() {
        val++;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Thread[] ts = new Thread[THREAD_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            ts[i] = new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        add();
                    }
                }
            });
            ts[i].start();
        }
        while (Thread.activeCount() > 1) {
            Thread.yield();
            System.out.println(val);
        }
    }
}

　　运行结果理论上是200000，但是结果总是小于该数值。

　　javap查看字节码命令（add方法中的自增运算部分）　

0: getstatic     #2                  // Field val:I
3: iconst_1
4: iadd
5: putstatic     #2                  // Field val:I

　　首先getstatic指令将val数值载入操作数栈顶，volatile保证了此时变量值的一致性，执行iconst_1和iadd指令时，其他线程可能已经将val数值增大，此时的val数值是过期的，putstatic指令可能将较小的val数值同步回主内存中了。

　　volatile型变量的使用场景，可以作为其他线程运行停止的开关。

　　 public static volatile boolean running = true;
    public void shutdown() {
        running = false;
    }
    public void dowork () {
        while (running) {
            // do something
        }
    }

禁止指令重排序优化

　　volatile型变量赋值后多执行一个空操作（store和write），该操作相当于内存屏障，将修改同步到主内存。

long、double型变量

　　虚拟机会将该类型数据的读写操作作为原子操作对待，一般该类型变量不需volatile修饰。

原子性、可见性和有序性

　　原子性：