107. 谈谈面试必问的Java内存区域(运行时数据区域)和内存模型(JMM)二

简介: 107. 谈谈面试必问的Java内存区域(运行时数据区域)和内存模型(JMM)二

107. 谈谈面试必问的Java内存区域(运行时数据区域)和内存模型(JMM)二


Java内存模型

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。

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。

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:

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。

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

volatile关键字

volatile 可以说是 JVM 提供的最轻量级的同步机制,当一个变量定义为volatile之后,它将具备两种特性:

保证此变量对所有线程的可见性。而普通变量不能做到这一点,普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。

注意,volatile 虽然保证了可见性,但是 Java 里面的运算并非原子操作,导致 volatile 变量的运算在并发下一样是不安全的。而 synchronized 关键字则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得线程安全的。

禁止指令重排序优化。普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果,而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。

目录
相关文章
|
算法 Java
50道java集合面试题
50道 java 集合面试题
|
Java 数据库连接 数据库
Java 相关知识点总结含基础语法进阶技巧及面试重点知识
本文全面总结了Java核心知识点,涵盖基础语法、面向对象、集合框架、并发编程、网络编程及主流框架如Spring生态、MyBatis等,结合JVM原理与性能优化技巧,并通过一个学生信息管理系统的实战案例,帮助你快速掌握Java开发技能,适合Java学习与面试准备。
623 2
Java 相关知识点总结含基础语法进阶技巧及面试重点知识
|
SQL 缓存 安全
深度理解 Java 内存模型:从并发基石到实践应用
本文深入解析 Java 内存模型(JMM),涵盖其在并发编程中的核心作用与实践应用。内容包括 JMM 解决的可见性、原子性和有序性问题,线程与内存的交互机制,volatile、synchronized 和 happens-before 等关键机制的使用,以及在单例模式、线程通信等场景中的实战案例。同时,还介绍了常见并发 Bug 的排查与解决方案,帮助开发者写出高效、线程安全的 Java 程序。
706 0
|
算法 Java
50道java基础面试题
50道java基础面试题
|
存储
阿里云轻量应用服务器收费标准价格表:200Mbps带宽、CPU内存及存储配置详解
阿里云香港轻量应用服务器,200Mbps带宽,免备案,支持多IP及国际线路,月租25元起,年付享8.5折优惠,适用于网站、应用等多种场景。
3755 0
|
存储 缓存 NoSQL
内存管理基础:数据结构的存储方式
数据结构在内存中的存储方式主要包括连续存储、链式存储、索引存储和散列存储。连续存储如数组,数据元素按顺序连续存放,访问速度快但扩展性差;链式存储如链表,通过指针连接分散的节点,便于插入删除但访问效率低;索引存储通过索引表提高查找效率,常用于数据库系统;散列存储如哈希表,通过哈希函数实现快速存取,但需处理冲突。不同场景下应根据访问模式、数据规模和操作频率选择合适的存储结构,甚至结合多种方式以达到最优性能。掌握这些存储机制是构建高效程序和理解高级数据结构的基础。
1266 1
|
存储 编译器 C语言
【C语言篇】数据在内存中的存储(超详细)
浮点数就采⽤下⾯的规则表⽰,即指数E的真实值加上127(或1023),再将有效数字M去掉整数部分的1。
1248 0
|
存储 弹性计算 固态存储
阿里云服务器配置费用整理,支持一万人CPU内存、公网带宽和存储IO性能全解析
要支撑1万人在线流量,需选择阿里云企业级ECS服务器,如通用型g系列、高主频型hf系列或通用算力型u1实例,配置如16核64G及以上,搭配高带宽与SSD/ESSD云盘,费用约数千元每月。
1786 0