浅析Java内存模型

我就是我 2023-03-06 03:44 1阅读 0赞

## Java内存模型的抽象结构 ##

Java线程之间的通信由Java内存模型（本文简称为JMM）控制，JMM决定一个线程对共享  
变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽  
象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（Main Memory）中，每个线程都有一个私有的本地  
内存（Local Memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的  
一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优  
化。Java内存模型的抽象示意如图  
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*  如果线程A与线程B之间要通信的话，必须要经历下面2个步骤。  
    1）线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。  
    2）线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

隐式：并不是直接的发送消息。

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## 那么 什么是JMM ##

内存模型可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或者高速缓存进行读写访问的过程抽象描述，不同架构下的物理机拥有不一样的内存模型，Java虚拟机是一个实现了跨平台的虚拟系统，因此它也有自己的内存模型，即Java内存模型（Java Memory Model, JMM）。

因此它不是对物理内存的规范，而是在虚拟机基础上进行的规范从而实现平台一致性，以达到Java程序能够“一次编写，到处运行”。

**究竟什么是内存模型？**

> 内存模型描述了程序中各个变量（实例域、静态域和数组元素）之间的关系，以及在实际计算机系统中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。（共享变量是存放在堆内存中，对于局部变量等不会在线程之间共享）  
> Java内存模型定义了多线程之间共享变量的可见性以及如何在需要的时候对共享变量进行同步。原始的Java内存模型效率并不是很理想，因此Java1.5版本对其进行了重构，现在的Java8仍沿用了Java1.5的版本。  
> Java 线程之间的通信由 Java 内存模型控制，JMM 决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见  
> Java Memory Model(Java内存模型)， 围绕着在并发过程中如何处理可见性、原子性、有序性这三个特性而建立的模型。

## JMM的三个特征 ##

**可见性**

> 一个线程对共享变量做了修改之后，其他的线程立即能够看到（感知到）该变量的这种修改（变化）。

*  Java内存模型是通过将在工作内存中的变量修改后的值同步到主内存，在读取变量前从主内存刷新最新值到工作内存中，这种依赖主内存的方式来实现可见性的。
    
     *  无论是普通变量还是volatile变量都是如此，区别在于：volatile的特殊规则保证了volatile变量值修改后的新值立刻同步到主内存，每次使用volatile变量前立即从主内存中刷新，因此volatile保证了多线程之间的操作变量的可见性，而普通变量则不能保证这一点。
     *  除了volatile关键字能实现可见性之外，还有synchronized,Lock，final也是可以的。
     *  使用synchronized关键字，在同步方法/同步块开始时（Monitor Enter）,使用共享变量时会从主内存中刷新变量值到工作内存中（即从主内存中读取最新值到线程私有的工作内存中），在同步方法/同步块结束时(Monitor Exit),会将工作内存中的变量值同步到主内存中去（即将线程私有的工作内存中的值写入到主内存进行同步）。
     *  使用Lock接口的最常用的实现ReentrantLock(重入锁)来实现可见性：当我们在方法的开始位置执行lock.lock()方法，这和synchronized开始位置（Monitor Enter）有相同的语义，即使用共享变量时会从主内存中刷新变量值到工作内存中（即从主内存中读取最新值到线程私有的工作内存中），在方法的最后finally块里执行lock.unlock()方法，和synchronized结束位置（Monitor Exit）有相同的语义,即会将工作内存中的变量值同步到主内存中去（即将线程私有的工作内存中的值写入到主内存进行同步）。
     *  final关键字的可见性是指：被final修饰的变量，在构造函数数一旦初始化完成，并且在构造函数中并没有把“this”的引用传递出去（“this”引用逃逸是很危险的，其他的线程很可能通过该引用访问到只“初始化一半”的对象），那么其他线程就可以看到final变量的值。

**有序性**

> 对于一个线程的代码而言，我们总是以为代码的执行是从前往后的，依次执行的。这么说不能说完全不对，在单线程程序里，确实会这样执行；但是在多线程并发时，程序的执行就有可能出现乱序。用一句话可以总结为：在本线程内观察，操作都是有序的；如果在一个线程中观察另外一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行语义（WithIn Thread As-if-Serial Semantics）”,后半句是指“指令重排”现象和“工作内存和主内存同步延迟”现象。

*  最经典的例子就是银行汇款问题，一个银行账户存款100，这时一个人从该账户取10元，同时另一个人向该账户汇10元，那么余额应该还是100。那么此时可能发生这种情况，A线程负责取款，B线程负责汇款，A从主内存读到100，B从主内存读到100，A执行减10操作，并将数据刷新到主内存，这时主内存数据100-10=90，而B内存执行加10操作，并将数据刷新到主内存，最后主内存数据100+10=110，显然这是一个严重的问题，我们要保证A线程和B线程有序执行，先取款后汇款或者先汇款后取款，此为有序性。
 *  Java提供了两个关键字volatile和synchronized来保证多线程之间操作的有序性,**volatile关键字本身通过加入内存屏障来禁止指令的重排序，而synchronized关键字通过一个变量在同一时间只允许有一个线程对其进行加锁的规则来实现**，
 *  在单线程程序中，不会发生“指令重排”和“工作内存和主内存同步延迟”现象，只在多线程程序中出现

**原子性**

> 一个操作不能被打断，要么全部执行完毕，要么不执行。在这点上有点类似于事务操作，要么全部执行成功，要么回退到执行该操作之前的状态。

*  基本类型数据的访问大都是原子操作，long 和double类型的变量是64位。
 *  但是在32位JVM中，32位的JVM会将64位数据的读写操作分为2次32位的读写操作来进行，**这就导致了long、double类型的变量在32位虚拟机中是非原子操作，数据有可能会被破坏，也就意味着多个线程在并发访问的时候是线程不安全的**。

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