并发编程之java内存模型

Posted 2021-02-27 wilsonsui

1、基本概念

• 程序：代码，完成某一任务，代码序列(静态的概念)
• 进程：程序在某些数据上的一次运行（动态概念）
• 线程：一个进程可能包含一个或多个线程（占有资源的独立单元）

2、JVM与线程

JVM虚拟机在类被调用的时候启动

先启动JVM线程---> 其他线程(main线程)

3、JVM内存区域

方法区

主要存放classloader加载的类信息、常量、静态变量、JIT即时编译的代码

实现信息共享

Class.forName 反射的操作区域

OOM内存溢出可能

java堆

存放大量的实例对象

A a = new A();

new A() 存放在堆区

实现信息共享

GC 工作区域

OOM内存溢出可能

VM stack 虚拟机栈

采用数据结构栈

java方法在运行时的内存模型

私有数据，只能该方法访问，无法进行数据共享

虚拟机栈存放满了 会导致内存溢出（递归调用就是方法不停进栈，没有出栈）

OOM内存溢出可能

程序计数器

存放java线程的私有数据，这个数据就是执行下一条指令的地址

本地方法栈

主要与native方法有关，本地方法

4、Java内存模型-JMM

JMM是一种规范，是一个抽象的概念。

主内存

存放的为共享的信息

工作内存(线程的自己的内存)

也是快内存区域，存放线程的私有信息

• 基本数据类型直接分配到工作空间
• 引用数据类型，引用的地址存放在工作内存，而引用的对象在堆（主存）中。

工作空间对应着JVM虚拟机模型中的虚拟机栈与程序计数器

工作方式

• 1、线程修改私有数据，直接在工作空间修改
• 2、线程修改共享数据，把数据复制到自己的工作空间中，然后在工作空间中进行修改，修改完成后，刷新主内存中的数据。
• 存在线程安全 下面解决线程安全问题

5、硬件内存架构与java内存模型

Cpu先到寄存器中找数据，没有再去高速缓存中找数据，没有最后在内存中找数据。

• 高速缓存分一级二级三级
  • L1 读写最快，容量最小
  • L2 次与L1,最常用
  • L3 读写最慢，容量最大

CPU缓存存在数据不一致性问题

并发处理的数据不同步

解决方案

1、总线加锁(BUS) :把总线只提供一个CPU使用，其他CPU无法访问，降低CPU的吞吐量。

2、 缓存一致性协议: （MESI协议）
当cpu在缓存中操作数据时，如果该数据是共享变量，数据在缓存中读到寄存器中，进行修改并更新内存数据，并且把cache line缓存行置为无效，其他cpu发现cache line无效，则直接从内存中读数据

java线程与硬件处理器

单CPU情况下，采用的是时间分片算法。

多CPU情况如图上述，任务经过线程池，分配给线程处理，线程受OS内核的调度，进行执行，最终映射至硬件进行处理。

java内存模型与硬件内存架构的关系

交叉线为数据可能存在的位置

交叉会存在数据不一致

java内存模型的必要性

java内存模型的作用：规范内存数据和工作空间数据的交互

6、并发编程的三个重要特性

原子性

不可分隔，转账:要么同时成功，要么同时失败。
x=1 就是原子性，x++不具备原子性

可见性

线程只能操作自己工作空间中的数据，自己的工作空间数据不对其他线程可见。

有序性

程序中的代码执行顺序，不一定就是程序执行的顺序。

两种重排序

- 编译重排 
- 指令重排 

如果对结果的运行没有影响，cpu会发生重排序
提高程序效率。

7、JMM对三个特征的保证

jmm与原子性

• x=10 写操作 原子性

  • 如果是私有数据，具有原子性
  • 如果是共享数据，不具有原子性,(需要先将内存中数据读取到工作空间中，这个过程不具有原子性)

• y=x 无原子性

  • 把数据X读到工作空间，在把X的值赋值给y（这是两步操作，不具有原子性）

• i++ 无原子性

  • i=i+1，读i值到工作空间中，给i自增1，重新写入内存中。（多个原子性的单操作合并一起，就不具备原子性 ）

• z=z+1 没有原子性

  • 与i++一样

多个原子性操作，合并起来就不具备原子性

保证原子性的方式

• Synchronized
• juc Lock

jmm与可见性

• volatile

在jmm内存模型上实现MESI协议

volatile对修饰的代码不允许重排序

• synchronized

加锁 保证只能一个线程访问

• JUC lock

lock也是一种锁

jmm与有序性

as-if-serial原则

as-if-serial 语义的意思是：所有的操作均可以为了优化而被重排序，但是你必须要保证重排序后执行的结果不能被改变，编译器、runtime、处理器都必须遵守 as-if-serial 语义。注意，as-if-serial 只保证单线程环境，多线程环境下无效。

在单线程中，重排后不影响执行的结果.

happens-before 原则

• 多线程下程序在运行中发生了重排，不影响结果

• 后一次加锁，必须等前一个解锁

• volatile 修饰的代码不能进行重排序

• 传递原则 a在b之前，b在c之前 可以的到a在c之前执行。

1. 如果一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。

2. 两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着一定要按照happens-before原则制定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果与按照happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法。

总结

• jvm内存区域和JMM的关系
• jmm与硬件的关系
• jmm与并发编程三个特征