Java内存模型

Posted 2021-05-16 小刘你最强

Java内存模型

简单介绍一下Java内存模型

Java内存模型即Java Memory Model，简称JMM。JMM定义了Java 虚拟机(JVM)在计算机内存(RAM)中的工作方式。JVM是整个计算机虚拟模型，所以JMM是隶属于JVM的。

Java内存模型是共享内存的并发模型，线程之间主要通过读-写共享变量（堆内存中的实例域，静态域和数组元素）来完成隐式通信。Java 内存模型（JMM）控制 Java 线程之间的通信，决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。

JVM主内存与工作内存

Java 内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量（线程共享的变量）存储到内存和从内存中取出变量这样底层细节。

Java内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。这里的工作内存是 JMM 的一个抽象概念，也叫本地内存，其存储了该线程以读 / 写共享变量的副本。

就像每个处理器内核拥有私有的高速缓存，JMM 中每个线程拥有私有的本地内存。不同线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间的通信一般有两种方式进行，一是通过消息传递，二是共享内存。Java 线程间的通信采用的是共享内存方式，线程、主内存和工作内存的交互关系如下图所示：

线程A和线程B通信要经过两个步骤：

1. 线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中
2. 线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量

这里所讲的主内存、工作内存与 Java 内存区域中的 Java 堆、栈、方法区等并不是同一个层次的内存划分，这两者基本上是没有关系的，如果两者一定要勉强对应起来，那从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。

JMM数据原子操作

• read（读取）：从主内存读取数据
• load（载入）：将主内存读取到的数据写入工作内存
• use（使用）：从工作内存读取数据来计算
• assign（赋值）：将计算好的值重新赋值到工作内存中
• store（存储）：将工作内存数据写入主内存
• write（写入）：将store过去的变量值赋值给主内存中的变量
• lock（锁定）：将主内存变量加锁，标识为线程独占状态
• unlock（解锁）：将主内存变量解锁，解锁后其他线程可以锁定该变量

public class VolatileVisibilityTest {

    private static volatile boolean initFlag = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("waiting data...");
                while (!initFlag) {
                }
                System.out.println("====================success");
            }
        }).start();

        Thread.sleep(2000);

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                prepareDate();
            }
        }).start();
    }

    public static void prepareDate() {
        System.out.println("preparing data...");
        initFlag = true;
        System.out.println("prepare end...");
    }
}

计算机高速缓存和缓存一致性

计算机在高速的 CPU 和相对低速的存储设备之间使用高速缓存，作为内存和处理器之间的缓冲。将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速运行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中。

在多处理器的系统中(或者单处理器多核的系统)，每个处理器内核都有自己的高速缓存，它们有共享同一主内存(Main Memory)。当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致。

为此，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议进行操作，来维护缓存的一致性。

MESI缓存一致性协议：多个CPU从主存读取同一个数据到各自的告诉缓存，当其中某个CPU修改了缓存里的数据，该数据会马上同步会主内存，其他CPU通过总线嗅探机制可以感知到数据的变化从而将自己缓存里的数据失效。

volatile缓存可见性实现原理

底层实现主要通过汇编lock前缀指令，它会锁定这块内存区域的缓存（缓存行锁定）并回写到主存

1）会将当前处理器缓存行的数据立即写回到系统内存
2）这个写回内存的操作会引起在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效（MESI）
3）提供内存屏障功能，是lock前后指令不能重排序

重排序和happens-before规则

在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分三种类型：

• 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
• 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
• 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

从 java 源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序：

JMM 属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。java 编译器禁止处理器重排序是通过在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障（重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置）指令来实现的。

happens-before

从 JDK5 开始，java 内存模型提出了 happens-before 的概念，通过这个概念来阐述操作之间的内存可见性。如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在 happens-before 关系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。这里的“可见性”是指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。

如果 A happens-before B，那么 Java 内存模型将向程序员保证—— A 操作的结果将对 B 可见，且 A 的执行顺序排在 B 之前。

重要的 happens-before 规则如下：

• 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens- before 于该线程中的任意后续操作。
• 监视器锁规则：对一个监视器锁的解锁，happens- before 于随后对这个监视器锁的加锁。
• volatile 变量规则：对一个 volatile 域的写，happens- before 于任意后续对这个 volatile 域的读。
• 传递性：如果 A happens- before B，且 B happens- before C，那么 A happens- before C。

下图是 happens-before 与 JMM 的关系