java并发编程-内存模型

并发编程模型的分类

并发编程中需要处理的两个关键问题:

线程之间如何通信

线程之间如何同步

所谓通信是指线程之间以何种机制来交换信息,在命令式编程中,线程的通信机制有两种:

共享内存(隐式通信:通过共享程序的公共状态,读-写内存中的公共状态实现)

消息传递(显示通信:线程间发送消息实现 ,比较典型的就是wait()和notify())

所谓同步,就是控制不同线程间操作发生相对顺序的机制:

共享内存(同步是显示的,由程序开发人员显示的指定某段代码或者某个方法需要在线程之间互斥执行)。

消息传递(同步是隐式的,消息的发送必须在消息接收之前)。

java的并发采用的是共享内存模型,线程之间的通信是隐式执行的,同步需要开发人员显示进行控制。

JAVA内存模型(JMM)的抽象

JMM(java memory model ,简称JMM)把java虚拟机内部划分为线程栈和堆。

逻辑视图如下:

java

java中所有的实例域、静态域,数组元素都是存储在堆内存,堆内存在线程之间共享。而对象引用,局部变量、方法参数和异常处理器参数都是存在在栈内存,也就是线程栈中,线程栈中的变量仅对自己可见,对其他线程不可见。不同线程之间的通信由java内存模型(java memory model ,简称JMM)控制。

JMM的抽象结构图,如下:

java

线程之间的共享变量存储在堆内存,每个线程都有私有的本地内存(线程栈),私有本地内存中存储了主内存中共享变量的拷贝,本地内存只是JMM的一个抽象概念,并不真实存在。

上图中线程A要与线程B通信的话,由于线程本地变量的不可见性,首先要将线程A中变量的更改,刷新到主内存中,然后线程B本地私有的共享变量副本失效,从新读取刷新的新值,才能完成。从上面的描述看,线程A向线程B通信,必须要经过主内存,JMM控制主内存与每个线程的本地变量的交互,来为java程序员提供内存的可见性。

硬件内存架构

软件最终还要运行在硬件上,看一下现代计算机硬件内存架构的简单图示:

java

现在的计算机一般都有两个或者多个CPU,其中有些还是多核心实现。

每个CPU都包含一系列的寄存器,它们是CPU内内存的基础。CPU在寄存器上执行操作的速度远大于在主存上执行的速度。这是因为CPU访问寄存器的速度远大于主存。

每个CPU可能还有一个CPU缓存层。实际上,绝大多数的现代CPU都有一定大小的缓存层。CPU访问缓存层的速度快于访问主存的速度,但通常比访问内部寄存器的速度还要慢一点。一些CPU还有多层缓存,但这些对理解Java内存模型如何和内存交互不是那么重要。只要知道CPU中可以有一个缓存层就可以了。

一个计算机还包含一个主存。所有的CPU都可以访问主存。主存通常比CPU中的缓存大得多。

CPU的高速缓存虽然解决了效率的问题,但是又带来了一个新的问题:数据一致性。当一个CPU需要读取主存时,它会将主存的部分读到CPU缓存中。它甚至可能将缓存中的部分内容读到它的内部寄存器中,然后在寄存器中执行操作,这样就不会使CPU直接与内存相连。当CPU需要将结果写回到主存中去时,它会将内部寄存器的值刷新到缓存中,然后在某个时间点将值刷新回主存。

Java内存模型和硬件内存架构之间的桥接

上面已经提到,Java内存模型与硬件内存架构之间存在差异。硬件内存架构没有区分线程栈和堆。对于硬件,所有的线程栈和堆都分布在主内中。部分线程栈和堆可能有时候会出现在CPU缓存中和CPU内部的寄存器中。如下图所示:

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