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Java内存模型——基础

2018-08-26 1412

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简介： JMM因何产生由于计算机的存储设备与处理器的运算能力之间有几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲——将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中没这样处理器就无需等待缓慢的内存读写了。

JMM因何产生

由于计算机的存储设备与处理器的运算能力之间有几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存（Cache）来作为内存与处理器之间的缓冲——将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中没这样处理器就无需等待缓慢的内存读写了。

基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是引入了一个新的问题——缓存一致性（Cache Coherence）。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而他们又共享同一主存，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的情况, 而这也是并发编程必须考虑的问题，为了解决一致性的问题,Java虚拟机规范定义了Java内存模型（Java Memory Model ,JMM）来屏蔽了各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让 Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。Java内存模型的关键技术点围绕多线程的原子性、可见性和有序性建立。

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（线程共享变量）的访问规则，以及在JVM中将变量存储到内存和从内存中读取出变量这样的底层细节。此处的变量与Java编程中所说的变量有所区别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但不包含局部变量与方法参数，因为后者是线程私有的，不会被共享。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory，虚拟机内存的一部分）中，每条线程还有自己的工作内存（Working Memory，我看网上很多文章说成本地内存，我觉得工作内存更贴切一些，JMM本身就是抽象的概念，所以工作内存也是个抽象的概念而已），线程的工作内存中保存了被该线程使用到的共享变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成，线程、工作内存、主内存三者的交互关系如图：

内存间交互操作

一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步会主内存的实现细节，在Java内存模型中定义了以下8种操作来完成

lock（锁定）：作用于主内存的变量，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
load（载入）：作用于工作内存的变量，它把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）：作用于工作内存的变量，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的值的字节码指令时将会执行这个操作。
assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
store（存储）：作用于工作内存的变量，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。
write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要顺序地执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也就是read和load之间，store和write之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，可能的顺序是read a，read b，load b， load a。Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

不允许read和load、store和write操作之一单独出现
不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。
一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。即就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，lock和unlock必须成对出现
如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值
如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）。

JVM对Java内存模型的实现

经常有人把 Java内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),这种分法比较粗糙, Java内存区域的划分实际上远比这复杂。

下图展示了Java内存模型在JVM中的逻辑视图：

每一个运行在Java虚拟机里的线程都拥有自己的线程栈。一个线程仅能访问自己的线程栈，这个线程栈包含了当前线程执行的方法的所有本地变量信息，所有原始类型的本地变量都存放在线程栈上，因此对其它线程不可见。即使两个线程执行同样的代码，这两个线程仍然在在自己的线程栈中来创建本地变量。一个线程可以向另一个线程传递一个原始类型变量的拷贝，但是它不能共享这个原始类型变量自身。因此，每个线程拥有每个本地变量的独有版本。

堆包含Java程序中创建的所有对象信息，不管对象是哪个线程创建的。这包括原始类型的封装类。不管对象是属于一个成员变量还是方法中的本地变量，它都会被存储在堆区。

下图展示了调用栈和本地变量都存储在栈区，对象都存储在堆区：

一个本地变量如果是原始类型，那么它会被完全存储到栈区。

一个本地变量如果是一个对象的引用，那么这个本地引用会被存储到栈中，但是对象本身仍然存储在堆区。

对于一个对象的成员方法，这些方法中包含本地变量，仍需要存储在栈区，即使它们所属的对象在堆区。

对于一个对象的成员变量，不管它是原始类型还是包装类型，都会被存储到堆区。

Static类型的变量以及类本身相关信息都会随着类本身存储在堆区。堆中的对象可以被多线程共享。如果一个线程获得一个对象的引用，它便可访问这个对象的成员变量。如果两个线程同时调用了同一个对象的同一个方法，那么这两个线程便可同时访问这个对象的成员变量，但是对于本地变量，每个线程都会拷贝一份到自己的线程栈中。

下图展示了上面描述的过程: