Java内存模型(JMM)

Posted 2022-05-23 hequnwang10

Java内存模型(Java Memory Model，JMM)JMM主要是为了规定了线程和内存之间的一些关系。
根据JMM的设计，系统存在一个主内存(Main Memory)，Java中所有变量都储存在主存中，对于所有线程都是共享的。
每条线程都有自己的工作内存(Working Memory)，工作内存中保存的是主存中某些变量的拷贝，线程对所有变量的操作都是在工作内存中进行，线程之间无法相互直接访问，变量传递均需要通过主存完成。
**Java内存模型(JMM)**是一种抽象的概念，并不真实存在，定义了Java程序在各种平台下对内存访问的机制及规范。线程是程序运行的载体。

内存模型主要是影响线程共享的内存可见性问题，Java线程之间的通信由Java内存模型【JMM】控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。

从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：

• 线程之间的共享变量存储在主内存（main memory）中
• 每个线程都有一个私有的本地内存（local memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。

主内存对应的是Java堆中的对象实例部分，而工作内存对应的则是栈中的部分区域

主内存：
主要存储的是Java实例对象，所有线程创建的实例对象都存放在主内存中。
由于是共享数据区域，多条线程对同一个变量进行访问可能会发生线程安全问题。

工作内存：
主要存储当前方法的所有本地变量信息【工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝】。

每个线程只能访问自己的工作内存，即线程中的本地变量对其它线程是不可见的，就算是两个线程执行的是同一段代码，它们也会各自在自己的工作内存中创建属于当前线程的本地变量，当然也包括了字节码行号指示器、相关Native方法的信息。

• 由于工作内存是每个线程的私有数据，线程间无法相互访问工作内存，因此存储在工作内存的数据不存在线程安全问题。
• 在主内存中的实例对象可以被多线程共享，倘若两个线程同时调用了同一个对象的同一个方法，那么两条线程会将要操作的数据拷贝一份到自己的工作内存中，执行完成操作后才刷新到主内存。

并发编程会带来什么问题

并发编程会带来原子性问题、可见性问题、有序性问题

• 原子性，指的是在一个操作中CPU 不可以在中途暂停然后再调度，要么不执行，要么就执行完成。
• 可见性，指的是多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改后的值。
• 有序性，程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。对于单线程的执行代码，我们总是认为代码的执行是按顺序依次执行的，但对于多线程环境，则可能出现乱序现象【指令重排导致】，重排后的指令与原指令的顺序未必一致。

线程之间的通信机制可以分为两种，分别是

1. 共享内存
2. 消息传递

Java的并发通信采用的是共享内存的方式。

数据同步的八大原子操作

1. lock(锁定)：把一个变量标记为一条线程独占状态
2. unlock(解锁)：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
3. read(读取)：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
4. load(载入)：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
5. use(使用)：把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎
6. assign(赋值)：把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量
7. store(存储)：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
8. write(写入)：把store操作从工作内存中的一个变量的值传送到主内存的变量中

JMM如何解决原子性、可见性、有序性问题

1、原子性问题

除了JVM自身提供的对基本数据类型读写操作的原子性外，可以通过synchronized和Lock实现原子性。【synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程访问该代码块】

2、可见性问题

volatile关键字可以保证可见性。
当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值立即被其他的线程看到，即修改的值立即更新到主存中，当其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。
synchronized和Lock也可以保证可见性。
因为它们可以保证任一时刻只有一个线程能访问共享资源，并在其释放锁之前将修改的变量刷新到内存中。

3、有序性问题

可以通过synchronized和Lock来保证有序性。

synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

并发编程涉及的一些重要原则

as-if-serial语义
　　定义：不管怎么重排序【编译器和处理器为了提高并行度】，（单线程）程序的执行结果不能被改变。

为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序， 因为这种重排序会改变执行结果。

如果操作之间不存在数据依赖关系，这些操作就可能被编译器和处理器重排序。

happens-before原则

1. 程序顺序原则：在一个线程内必须保证语义串行性，也就是说按照代码顺序执行。

2. 锁规则：解锁(unlock)操作必然发生在后续的同一个锁的加锁(lock)之前，即若对于一个锁解锁后，再加锁，那么加锁的动作必须在解锁动作之后(同一个锁)。

3. volatile规则：volatile的可见性保证：变量的写，先发生于读。
   简单的理解就是，volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫将最新的值刷新到主内存，任何时刻不同的线程总是能够看到该变量的最新值。

4. 线程启动规则：线程的start()方法先于它的每一个动作，即如果线程A在执行线程B的start()方法之前修改了共享变量的值，那么当线程B执行start()方法时，线程A对共享变量的修改对线程B可见。

5. 传递性：A先于B ，B先于C 那么A必然先于C。

6. 线程终止规则：场景：主线程A执行时，B线程调用Thread.join()方法。
   假设在线程B终止之前修改了共享变量，线程A从线程B的join方法成功返回后，线程B对共享变量的修改将对线程A可见。

7. 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用要比代码检测中断事件先发生，可以通过Thread.interrupted()方法检测线程是否中断。

8. 对象终结规则：对象的构造函数执行，结束先于finalize()【当垃圾回收器将要回收对象时执行】方法。PS：不推荐使用finalize()方法