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Java的内存模型

  java的后端服务器开发中"高效并发"是我们经常会碰到的,而要写出高效的代码需要更多的积累与实践。而一些基础的内容是往这个方向发展的基石。所以我们就来介绍下。

硬件效率的一致性

  随着硬件技术的发展,处理器的处理能力越来越强大,但是与处理器交互的内存的处理能力并没有提升多少,读取运算,存储运算这些IO操作的瓶颈并没有得以消除,处理器的处理效率比内存的处理效率要高好几个数量级,在这种情况下在处理器和内存之间添加了一个高速缓存用以平衡相互关系,也就是将内存中的数据先保存到高速缓存中,处理器处理数据的时候直接从缓存中获取,处理完成后再从缓存中将数据同步回内存中。这样既不会拖累处理器,也能很好的从内存中操作数据。关系图如下:

  引入高速缓存解决了处理器和内存的矛盾,但同时又产生了一个新的问题:缓存一致性,在多处理器的系统中,每个处理器都有自己的高速缓存,而他们又都共享同一主内存。当多个处理器的运算任务都涉及到同一块主内存区域时,将可能导致各自缓存数据的不一致。为了解决一致性问题,需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议。在读写时根据协议来操作。这里讲的"内存模型"可以理解为在特定操作协议下对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。java虚拟机也有自己的内存模型,接下来我们看下。

Java内存模型

  java的内存模型规定所有的变量都存储在主内存中,每条线程都有自己的工作内存(类比上面的高速缓存)。线程的工作内存中保存了该线程使用的变量的主内存副本拷贝。线程对变量的所有操作(读取,赋值)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,不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量。线程间变量的传递均需要通过主内存来完成。如下图

内存交互操作

  主内存和工作内存之间具体的交互协议通过以下8个操作来完成。

操作

说明

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的状态

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,把一个变量的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)

作用于工作内存中的变量,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的值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令的时候将会执行这个操作。

assign(赋值)

作用于工作内存变量,把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量,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操作使用

writer(写入)

作用于主内存变量,把store操作从工作内存中得到的变量值放入主内存的变量中。

将一个变量从主内存中复制到工作内存中,需要顺序的执行read和load操作。

如果要将变量从工作内存中同步会主内存,就要顺序的执行store和write操作如下。

  内存模型要求上述两个操作必须按顺序执行,但不是连续,也就是说read和load之间、store和write之间可插入其他指令。可以出现 read a,read b,load a,load b的情况,java内存模型还要求了如下的规则,必须准守。

  1. 不允许read和load、store和write操作之一单独出现,即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受或者从工作内存发起回写但主内存不接受的情况。
  2. 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作。即变量在工作内存中改变了之后必须把变化同步会主内存。
  3. 不允许一个线程无原因滴(没有发生任何assign操作)把数据从线程的工作内存同步会主内存中。
  4. 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的变量。换句话说就是在对一个变量use、store操作之前必须先执行过了assign和load操作
  5. 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作,但lock操作可以被同一条线程重复执行多次,多次执行lock后,只要执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。
  6. 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,在执行引擎是哟欧这个变量之前需要重新执行load或者assign操作初始化变量的值。
  7. 如果一个变量没有被lock操作锁定,那么就不允许对它执行unlock操作,也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量。
  8. 对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存中(store,write操作)

以上八条就是Java内存模型的操作规则。

参考《深入理解Java虚拟机》

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