JVM学习笔记 05 - JMM简述

Posted 2023-04-02 飞鸟还巢

JVM 试图定义一种统一的内存模型，能将各种底层硬件，以及操作系统的内存访问差异进行封装，使 Java 程序在不同硬件及操作系统上都能达到相同的并发效果。

JMM 的结构

JMM 分为主存储器（Main Memory）和工作存储器（Working Memory）两种。

• 主存储器是实例位置所在的区域，所有的实例都存在于主存储器内。比如，实例所拥有的字段即位于主存储器内，主存储器是所有的线程所共享的。
• 工作存储器是线程所拥有的作业区，每个线程都有其专用的工作存储器。工作存储器存有主存储器中必要部分的拷贝，称之为工作拷贝（Working Copy）。

在这个模型中，线程无法对主存储器直接进行操作。如下图，线程 A 想要和线程 B 通信，只能通过主存进行交换。

那这些内存区域都是在哪存储的呢？如果非要有个对应的话，你可以认为主存中的内容是 Java 堆中的对象，而工作内存对应的是虚拟机栈中的内容。但实际上，主内存也可能存在于高速缓存，或者 CPU 的寄存器上；工作内存也可能存在于硬件内存中，我们不用太纠结具体的存储位置。

8 个 Action（原子操作类型）

为了支持 JMM，Java 定义了 8 种原子操作（Action），用来控制主存与工作内存之间的交互。

• （1）read（读取）作用于主内存，它把变量从主内存传动到线程的工作内存中，供后面的 load 动作使用。
• （2）load（载入）作用于工作内存，它把 read 操作的值放入到工作内存中的变量副本中。
• （3）store（存储）作用于工作内存，它把工作内存中的一个变量传送给主内存中，以备随后的 write 操作使用。
• （4）write （写入）作用于主内存，它把 store 传送值放到主内存中的变量中。
• （5）use（使用）作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时，将会执行这个动作。
• （6）assign（赋值）作用于工作内存，它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时，执行该操作。
• （7）lock（锁定）作用于主内存，把变量标记为线程独占状态。
• （8）unlock（解锁）作用于主内存，它将释放独占状态。

如上图所示，把一个变量从主内存复制到工作内存，就要顺序执行 read 和 load；而把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序执行 store 和 write 操作。

三大特征

• （1）原子性
  JMM 保证了 read、load、assign、use、store 和 write 六个操作具有原子性，可以认为除了 long 和 double 类型以外，对其他基本数据类型所对应的内存单元的访问读写都是原子的。
  如果想要一个颗粒度更大的原子性保证，就可以使用 lock 和 unlock 这两个操作。
• （2）可见性
  可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程也能立即感知到这种变化。
  我们从前面的图中可以看到，要保证这种效果，需要经历多次操作。一个线程对变量的修改，需要先同步给主内存，赶在另外一个线程的读取之前刷新变量值。
  volatile、synchronized、final 和锁，都是保证可见性的方式。
  这里要着重提一下 volatile，因为它的特点最显著。使用了 volatile 关键字的变量，每当变量的值有变动时，都会把更改立即同步到主内存中；而如果某个线程想要使用这个变量，则先要从主存中刷新到工作内存上，这样就确保了变量的可见性。
  而锁和同步关键字就比较好理解一些，它是把更多个操作强制转化为原子化的过程。由于只有一把锁，变量的可见性就更容易保证。
  （3）有序性
  Java 程序很有意思，从上面的 add 操作可以看出，如果在线程中观察，则所有的操作都是有序的；而如果在另一个线程中观察，则所有的操作都是无序的。
  除了多线程这种无序性的观测，无序的产生还来源于指令重排。
  指令重排序是 JVM 为了优化指令，来提高程序运行效率的，在不影响单线程程序执行结果的前提下，按照一定的规则进行指令优化。在某些情况下，这种优化会带来一些执行的逻辑问题，在并发执行的情况下，按照不同的逻辑会得到不同的结果。
  我们可以看一下 Java 语言中默认的一些“有序”行为，也就是先行发生（happens-before）原则，这些可能在写代码的时候没有感知，因为它是一种默认行为。
  先行发生是一个非常重要的概念，如果操作 A 先行发生于操作 B，那么操作 A 产生的影响能够被操作 B 感知到。
  下面的原则是《Java 并发编程实践》这本书中对一些法则的描述。
• 程序次序：一个线程内，按照代码顺序，写在前面的操作先行发生于写在后面的操作。
• 监视器锁定：unLock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。
• volatile：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。
• 传递规则：如果操作 A 先行发生于操作 B，而操作 B 又先行发生于操作 C，则可以得出操作 A 先行发生于操作 C。
• 线程启动：对线程 start() 的操作先行发生于线程内的任何操作。
• 线程中断：对线程 interrupt() 的调用先行发生于线程代码中检测到中断事件的发生，可以通过 Thread.interrupted() 方法检测是否发生中断。
• 线程终结规则：线程中的所有操作先行发生于检测到线程终止，可以通过 Thread.join()、Thread.isAlive() 的返回值检测线程是否已经终止。
• 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于它的 finalize() 方法的开始。

转载自：第18讲：大厂面试题：不要搞混 JMM 与 JVM · 深入浅出Java虚拟机 · 看云 

JAVA内存模型（JMM简述）

Java内存模型（Java Memory Model）就是一种符合内存模型规范的，屏蔽了各种硬件和操作系统的访问差异的，保证了Java程序在各种平台下对内存的访问都能保证效果一致的机制及规范。

JVM运行程序的实体是线程，而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内用于存储线程私有的数据，而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存，主内存是共享内存区域，所有线程都可以访问，但线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行
首先要将变量从主内存拷贝的自己的工作内存空间，然后对变量进行操作，操作完成后再将变量写回主内存，工作内存和主内存 传值过程由JMM控制。
在JMM中主内存属于共享数据区域，从某个程度上讲应该包括了堆和方法区，而工作内存数据线程私有数据区域
从某个程度上讲则应该包括程序计数器、虚拟机栈以及本地方法栈。我们可能会看见主内存被描述为堆内存，工作内存被称为线程栈，实际上他们表达的都是同一个含义
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，不管该实例对象是成员变量还是方法中的本地变量(也称局部变量)，当然也包括了共享的类信息、常量、静态变量。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现线程安全问题。
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，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是线程安全的
存储在主内存不管它是基本数据类型或者包装类型(Integer、Double等)还是引用类型，都会被存储到堆区
JMM
线程 - 》cpu->cpu寄存器->cpu缓存-》主内存
executor->n线程->n内核线程->线程调度器-》cpu
Java内存模型和计算机硬件内存架构是一个相互交叉的关系，是一种抽象概念划分与真实物理硬件的交叉

指令重排
计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器的常常会对指令做重排，一般分以下3种
1、编译器优化的重排
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。
2、指令并行的重排
现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性(即后一个执行的语句无需依赖前面执行的语句的结果)，处理器可以改变语句对应的机器指令的执行顺序
3、内存系统的重排
由于处理器使用缓存和读写缓存冲区，这使得加载(load)和存储(store)操作看上去可能是在乱序执行，因为三级缓存的存在，导致内存与缓存的数据同步存在时间差。

其中编译器优化的重排属于编译期重排，指令并行的重排和内存系统的重排属于处理器重排，在多线程环境中，这些重排优化可能会导致程序出现内存可见性问题

如执行ADD指令时 写到内存时没有完成 后面计算就无法进行，停顿会造成CPU性能下降，因此我们应该想办法消除这些停顿，这时就需要使用到指令重排了，既然ADD指令需要等待，那我们就利用等待的时间做些别的事情。

A线程调用写入方法，而B线程调用读取方法
指令重排只会保证单线程中串行语义的执行的一致性，但并不会关心多线程间的语义一致性

在并发编程模式中，势必会遇到上面三个概念
1、可见性
可见性指的是当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程是否能够马上得知这个修改的值
对于串行程序来说，可见性是不存在的在多线程环境中线程A修改了共享变量x的值，还未写回主内存时，另外一个线程B又对主内存中共享变量x进行操作。
2、有序性
有序性是指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，因为程序编译成机器码指令后可能会出现指令重排现象，重排后的指令与原指令的顺序未必一致多线程环境下，一个线程中观察另外一个线程，所有操作都是无序的
3、原子性
一个操作或者多个操作要么全部执行要么全部不
执行。
JMM提供的解决方案：
理解了原子性，可见性以及有序性问题后，看看JMM是如何保证的，对于方法级别或者代码块级别的原子性操作，可以使用synchronized关键字或者重入锁(ReentrantLock)保证程序执行的原子性
而工作内存与主内存同步延迟现象导致的可见性问题，可以使用synchronized关键字或者volatile关键字解决，它们都可以使一个线程修改后的变量立即对其他线程可见 对于指令重排导致的可见性问题和有序性问题，则可以利用volatile关键字解决，因为volatile的另外一个作用就是禁止重排序优化

仅靠sychronized和volatile关键字来保证原子性、可见性以及有序性，那么编写并发程序可能会显得十分麻烦
volatile在并发编程中很常见
1、当一个线程修改了一个被volatile修饰共享变量的值，新值总数可以被其他线程立即得知
2、禁止指令重排序优化
volatile禁止重排优化：
内存屏障，又称内存栅栏，是一个CPU指令，它的作用有两个，一是保证特定操作的执行顺序，
二是保证某些变量的内存可见性（利用该特性实现volatile的内存可见性）。由于编译器和处理器都能执行指令重排优化。
如果在指令间插入一条Memory Barrier则会告诉编译器和CPU，不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序，
Memory Barrier的另外一个作用是强制刷出各种CPU的缓存数据，因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本