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JAVA 内存模型 (Java Memory Model,JMM)

JAVA内存模型

Java内存模型(Java Memory Model,JMM)

是在硬件内存模型基础上更高层的抽象,它屏蔽了各种硬件和操作系统对内存访问的差异性,从而实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。

主内存与工作内存:

除了主内存,每条线程还有自己的工作内存,此处可与CPU的高速缓存进行类比。

工作内存中保存着该线程使用到的变量的主内存副本的拷贝,线程对变量的操作都必须在工作内存中进行,包括读取和赋值等,而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必须通过主内存来完成。

内存间的交互操作:

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议,Java内存模型定义了以下8种具体的操作来完成:

(1)lock,锁定,作用于主内存的变量,它把主内存中的变量标识为一条线程独占状态;

(2)unlock,解锁,作用于主内存的变量,它把锁定的变量释放出来,释放出来的变量才可以被其它线程锁定;

(3)read,读取,作用于主内存的变量,它把一个变量从主内存传输到工作内存中,以便后续的load操作使用;

(4)load,载入,作用于工作内存的变量,它把read操作从主内存得到的变量放入工作内存的变量副本中;

(5)use,使用,作用于工作内存的变量,它把工作内存中的一个变量传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作;

(6)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变量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使用这个操作;

(7)store,存储,作用于工作内存的变量,它把工作内存中一个变量的值传递到主内存中,以便后续的write操作使用;

(8)write,写入,作用于主内存的变量,它把store操作从工作内存得到的变量的值放入到主内存的变量中;

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存,那就要按顺序地执行read和load操作,同样地,如果要把一个变量从工作内存同步回主内存,就要按顺序地执行store和write操作。

注意,这里只说明了要按顺序,并没有说一定要连续,也就是说可以在read与load之间、store与write之间插入其它操作。

执行上述8种操作的基本规则:

(1)不允许read和load、store和write操作之一单独出现,即不允许出现从主内存读取了而工作内存不接受,或者从工作内存回写了但主内存不接受的情况出现;

(2)不允许一个线程丢弃它最近的assign操作,即变量在工作内存变化了必须把该变化同步回主内存;

(3)不允许一个线程无原因地(即未发生过assign操作)把一个变量从工作内存同步回主内存;

(4)一个新的变量必须在主内存中诞生,不允许工作内存中直接使用一个未被初始化(load或assign)过的变量,换句话说就是对一个变量的use和store操作之前必须执行过load和assign操作;

(5)一个变量同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作,但lock操作可以被同一个线程执行多次,多次执行lock后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才能被解锁。

(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;

(7)如果一个变量没有被lock操作锁定,则不允许对其执行unlock操作,也不允许unlock一个其它线程锁定的变量;

(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,即执行store和write操作;

注意,这里的lock和unlock是实现synchronized的基础,Java并没有把lock和unlock操作直接开放给用户使用,但是却提供了两个更高层次的指令来隐式地使用这两个操作,即moniterenter和moniterexit。

原子性、可见性、有序性:

Java内存模型就是为了解决多线程环境下共享变量的一致性问题。

一致性主要包含三大特性:原子性、可见性、有序性,下面我们就来看看Java内存模型是怎么实现这三大特性的。

(1)原子性

原子性是指一段操作一旦开始就会一直运行到底,中间不会被其它线程打断,这段操作可以是一个操作,也可以是多个操作。

由Java内存模型来直接保证的原子性操作包括read、load、user、assign、store、write这两个操作,我们可以大致认为基本类型变量的读写是具备原子性的。

如果应用需要一个更大范围的原子性,Java内存模型还提供了lock和unlock这两个操作来满足这种需求,尽管不能直接使用这两个操作,但我们可以使用它们更具体的实现synchronized来实现。

因此,synchronized块之间的操作也是原子性的。

(2)可见性

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值,其它线程能立即感知到这种变化。

Java内存模型是通过在变更修改后同步回主内存,在变量读取前从主内存刷新变量值来实现的,它是依赖主内存的,无论是普通变量还是volatile变量都是如此。

普通变量与volatile变量的主要区别是是否会在修改之后立即同步回主内存,以及是否在每次读取前立即从主内存刷新。因此我们可以说volatile变量保证了多线程环境下变量的可见性,但普通变量不能保证这一点。

除了volatile之外,还有两个关键字也可以保证可见性,它们是synchronized和final。

synchronized的可见性是由“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,即执行store和write操作”这条规则获取的。

final的可见性是指被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成,那么其它线程中就能看见这个final字段了。

(3)有序性

Java程序中天然的有序性可以总结为一句话:如果在本线程中观察,所有的操作都是有序的;如果在另一个线程中观察,所有的操作都是无序的。

前半句是指线程内表现为串行的语义,后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存和主内存同步延迟”现象。

Java中提供了volatile和synchronized两个关键字来保证有序性。

volatile天然就具有有序性,因为其禁止重排序。

synchronized的有序性是由“一个变量同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获取的。

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