Java内存模型（Java Memory Mode，JMM）

妖狐艹你老母 2024-03-17 11:24 34阅读 0赞

###  并发编程模型的两个关键问题  ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">线程之间<code>如何通信</code>及线程之间<code>如何同步</code></th> 
  </tr> 
 </thead> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">线程之间如何通信</th> 
   <th align="left">线程之间如何同步</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>通信</strong>是指线程之间以何种机制来 <strong><code>交换信息</code></strong></td> 
   <td align="left"><strong>同步</strong>是指程序中用于 <strong><code>控制不同线程间 操作发生相对顺序</code></strong> 的机制</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><code>共享内存</code>，<code>消息传递</code></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">在共享内存的并发模型里，线程之间共享程序的公共状态，通过<code>写-读内存</code>中的公共状态进行隐式通信。</td> 
   <td align="left">在共享内存并发模型里，同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间<code>互斥执行</code>。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，线程之间必须通过<code>发送消息</code>来显式进行通信。</td> 
   <td align="left">在消息传递的并发模型里，由于<code>消息的发送必须在消息的接收之前</code>，因此同步是隐式进行的。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>Java的并发采用的是共享内存模型</strong></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">线程间共享内容</th> 
   <th align="left">线程间不会共享的内容</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">在Java中，所有<strong>实例域</strong>、<strong>静态域</strong>和<strong>数组元素</strong>都存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享。</td> 
   <td align="left"><strong>局部变量</strong>（Local Variables），<strong>方法定义参数</strong>（Java语言规范称之为Formal Method Parameters）和<strong>异常处理器参数</strong>（Exception Handler Parameters）不会在线程之间共享，它们不会有内存可见性问题，也不受内存模型的影响。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### Java内存模型的抽象结构 JMM  ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">Java线程之间的<code>通信</code>由 JMM 控制，<strong>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</strong>。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">线程之间的共享变量存储在<strong>主内存</strong>（<code>Main Memory</code>）中，每个线程都有一个私有的<strong>本地内存</strong>（<code>Local Memory</code>），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的<strong>副本</strong>。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">注意：<strong>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</strong>。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### Java内存模型的抽象结构示意图 ###

![在这里插入图片描述][88e9ca60f97241d18931a5d5f75e731a.png_pic_center]

###  JMM的设计意图  ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">程序员角度</th> 
   <th align="left">编译器和处理器角度</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">让我们来看JMM的设计意图。从JMM设计者的角度，在设计JMM时，需要考虑两个关键因素。</td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">程序员对内存模型的使用。程序员希望内存模型易于理解、易于编程。程序员希望<strong>基于一个强内存模型来编写代码</strong>。</td> 
   <td align="left">编译器和处理器对内存模型的实现。编译器和处理器希望内存模型对它们的<strong>束缚越少越好</strong>，这样它们就可以做尽可能多的优化来提高性能。编译器和处理器希望<strong>实现一个弱内存模型</strong>。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">由于这两个因素互相矛盾，所以JSR-133专家组在设计JMM时的核心目标就是找到一个好的<strong>平衡点</strong>：一方面，要为程序员提供足够强的内存可见性保证；另一方面，对编译器和处理器的限制要尽可能地放松。</td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">JMM向程序员提供的 <strong><code>happens-before</code> 规则能满足程序员的需求</strong>。JMM的happens-before规则不但简单易懂，而且也向程序员提供了足够强的内存可见性保证。</td> 
   <td align="left">JMM对编译器和处理器的束缚已经尽可能少。从上面的分析可以看出，JMM其实是在遵循一个基本原则：<strong>只要不改变程序的执行结果（指的是单线程程序和正确同步的多线程程序），编译器和处理器<code>怎么优化都行</code></strong>。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><a href="https://blog.csdn.net/weixin_37646636/article/details/130876918" rel="nofollow">happens-before规则</a></td> 
   <td align="left"><a href="https://blog.csdn.net/weixin_37646636/article/details/130710788" rel="nofollow">什么是指令重排？</a></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

\-----------------------------------------------------------------------------摘自 书名：Java并发编程的艺术 作者：方腾飞；魏鹏；程晓明

![在这里插入图片描述][475edd291cca40729a91087b25123f92.png_pic_center]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">JMM 指定了 <code>Java虚拟机</code> 如何与计算机的 <code>主存（RAM）</code>进行工作</th> 
  </tr> 
 </thead> 
</table>

###  线程和主内存之间的抽象关系  ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center"><strong>Java的内存模型决定了一个线程对共享变量的写入何时对其他线程可见</strong></th> 
  </tr> 
 </thead> 
</table>

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">Java内存模型定义了线程和主内存之间的抽象关系如下</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong><code>·共享变量存储于主内存之中，每个线程都可以访问。</code></strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong><code>·每个线程都有私有的工作内存或者称为本地内存。</code></strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong><code>·工作内存只存储该线程对共享变量的副本。</code></strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong><code>·线程不能直接操作主内存，只有先操作了工作内存之后才能写入主内存。</code></strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong><code>·工作内存和Java内存模型一样也是一个抽象的概念，它其实并不存在，它涵盖了缓存、寄存器、编译器优化以及硬件等。</code></strong></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Jave内存模型与CPU硬件架构的交互图

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left"></th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">Java的内存模型是一个抽象的概念，其与计算机硬件的结构并不完全一样，比如计算机物理内存不会存在栈内存和堆内存的划分，无论是堆内存还是虚拟机栈内存都会对应到物理的主内存，当然也有一部分堆栈内存的数据有可能会存入CPU Cache寄存器中。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/8bcbae70bf874f9dbb4f20c167928d52.png" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

###  引出可见性问题  ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">当同一个数据被分别存储到了计算机的各个内存区域时，势必会导致多个线程在各自的工作区域中看到的数据有可能是不一样的，<strong>在Java语言中如何保证不同线程对某个共享变量的可见性</strong>？</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><a href="https://blog.csdn.net/weixin_37646636/article/details/129221854" rel="nofollow">什么是可见性问题？</a></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

\-----------------------------------------------------------------------------书名：Java高并发编程详解：多线程与架构设计 作者：汪文君

![在这里插入图片描述][475edd291cca40729a91087b25123f92.png_pic_center]

###  Java内存模型（Java Memory Model，JMM）  ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left"><code>“内存模型”</code>一词，它可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。不同架构的物理机器可以拥有不一样的内存模型，而Java虚拟机也有自己的内存模型。</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">《Java虚拟机规范》中曾试图定义一种<code>Java内存模型（Java Memory Model，JMM）</code>来屏蔽各种<strong>硬件</strong>和<strong>操作系统</strong>的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到<strong>一致的内存访问效果</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Java内存模型的主要目的是定义程序中<strong>各种变量的访问规则</strong>，即关注在虚拟机中把<strong>变量值存储到内存</strong> 和 <strong>从内存中取出变量值</strong> 这样的底层细节。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">此处的<code>变量（Variables）</code>与Java编程中所说的变量有所区别，它包括了 <strong>实例字段</strong> 、 <strong>静态字段</strong> 和 <strong>构成数组对象的元素</strong> ，但是不包括 <strong>局部变量</strong> 与 <strong>方法参数</strong>，因为后者是线程私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。如果局部变量是一个<code>reference类型</code>，它引用的对象在Java堆中可被各个线程共享，但是reference本身在Java栈的局部变量表中是线程私有的。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">Java内存模型规定了<code>所有的变量都存储在主内存（Main Memory）</code> 中（此处的主内存与介绍物理硬件时提到的主内存名字一样，两者也可以类比，但物理上它仅是虚拟机内存的一部分）。<br><br>线程的<code>工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本</code>，<br><br>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，而不能直接读写主内存中的数据。<br><br>不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，<code>线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成</code>.</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图12-2所示，注意与图12-1进行对比。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><img src="https://img-blog.csdnimg.cn/6638e3110d7f494ab441627f224bb562.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s,shadow_50,text_Q1NETiBA5byg57Sr5aiD,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16" alt="在这里插入图片描述"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">这里所讲的主内存、工作内存与Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一个层次的对内存的划分，这两者基本上是没有任何关系的。如果两者一定要勉强对应起来，那么从变量、主内存、工作内存的定义来看，<strong>主内存</strong>主要对应于<strong>Java堆中的对象实例数据部分</strong>，而<strong>工作内存</strong>则对应于虚拟机<strong>栈中的部分区域</strong>。从更基础的层次上说，<strong>主内存</strong>直接对应于物理<strong>硬件的内存</strong>，而为了获取更好的运行速度，虚拟机可能会让<strong>工作内存</strong>优先存储于<strong>寄存器</strong>和<strong>高速缓存</strong>中，因为程序运行时主要访问的是工作内存。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">-----------------------------------------------------------------------------读书笔记摘自 书名：深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版）作者：周志明</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

[88e9ca60f97241d18931a5d5f75e731a.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/17/0c2dc3f52b2440038f24626b163bef42.png
[475edd291cca40729a91087b25123f92.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/17/802a514488c24b62ab48a77dd340b169.png