JUC并发编程学习(十六)谈谈java内存模型JMM

简介: JUC并发编程学习(十六)谈谈java内存模型JMM

JMM:java内存模型(Java Memory Model ),不存在的东西,一个概念,约定

在多线程环境下,线程之间要通信,就不得不提JMM(Java Memory Model )。

JMM是一种规范,目的是解决由于多线程通过共享内存进行通信时,存在的本地内存的数据不一致、编译器会对代码指令重排、处理器会对代码乱序等带来的问题。

内存划分

JMM规定了内存主要划分为主内存和工作内存两种。此处的主内存和工作内存跟JVM内存划分(堆、栈、方法区)是在不同的层次上进行的。如果非要对应起来,主内存对应的是Java堆中的对象实例部分,工作内存对应的是栈中的部分区域,从更底层的来说,主内存对应的是物理内存,工作内存对应的是寄存器和高速缓存。

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JVM在设计时候考虑到,如果JAVA线程每次读取和写入变量都直接操作主内存,对性能影响比较大,所以每条线程拥有各自的工作内存,工作内存中的变量是主内存中的一份拷贝,线程对变量的读取和写入,直接在工作内存中操作,而不能直接去操作主内存中的变量。但是这样就会出现一个问题,当一个线程修改了自己工作内存中变量,对其他线程是不可见的,会导致线程不安全的问题。因为JMM制定了一套标准来保证开发者在编写多线程程序的时候,能够控制什么时候内存会被同步给其他线程。


内存交互操作


Java 内存模型对主内存与工作内存之间的具体交互协议定义了八种操作,具体如下:


lock(锁定):作用于主内存变量,把一个变量标识为一条线程独占状态。

unlock(解锁):作用于主内存变量,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。

read(读取):作用于主内存变量,把一个变量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。

load(载入):作用于工作内存变量,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。

use(使用):作用于工作内存变量,把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用变量值的字节码指令时执行此操作。

assign(赋值):作用于工作内存变量,把一个从执行引擎接收的值赋值给工作内存的变量,每当虚拟机遇到一个需要给变量进行赋值的字节码指令时执行此操作。

store(存储):作用于工作内存变量,把工作内存中一个变量的值传递到主内存中,以便后续 write 操作。

write(写入):作用于主内存变量,把 store 操作从工作内存中得到的值放入主内存变量中。

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JMM对这八种指令的使用,制定了如下规则:

不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load,使用了store必须write

不允许线程丢弃他最近的assign操作,即工作变量的数据改变了之后,必须告知主存

不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存

一个新的变量必须在主内存中诞生,不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施use、store操作之前,必须经过assign和load操作

一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后,必须执行相同次数的unlock才能解锁

如果对一个变量进行lock操作,会清空所有工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前,必须重新load或assign操作初始化变量的值

如果一个变量没有被lock,就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量

对一个变量进行unlock操作之前,必须把此变量同步回主内存

关于JMM的一些同步的约定

  1. 线程解锁前,必须把共享变量立刻刷回主内存。
  2. 线程加锁前,必须读取主存中的最新值到工作内存中
  3. 加锁和解锁是同一把锁

Java内存模型带来的问题

可见性问题

CPU中运行的线程从主存中拷贝共享对象obj到它的CPU缓存,把对象obj的count变量改为2。但这个变更对运行在右边CPU中的线程不可见,因为这个更改还没有flush到主存中:要解决共享对象可见性这个问题,我们可以使用java volatile关键字或者是加锁

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竞争现象(原子性)

线程A和线程B共享一个对象obj。假设线程A从主存读取Obj.count变量到自己的CPU缓存,同时,线程B也读取了Obj.count变量到它的CPU缓存,并且这两个线程都对Obj.count做了加1操作。此时,Obj.count加1操作被执行了两次,不过都在不同的CPU缓存中。如果这两个加1操作是串行执行的,那么Obj.count变量便会在原始值上加2,最终主存中的Obj.count的值会是3。然而下图中两个加1操作是并行的,不管是线程A还是线程B先flush计算结果到主存,最终主存中的Obj.count只会增加1次变成2,尽管一共有两次加1操作。 要解决上面的问题我们可以使用java synchronized代码块。

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重排序

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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。因为重排序而造成运行结果不同。

可查看jMM底层原理进行更深层的了解。

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