Java中的內(nèi)存模型

1. 概述

多任務(wù)和高并發(fā)是衡量一臺(tái)計(jì)算機(jī)處理器的能力重要指標(biāo)之一。一般衡量一個(gè)服務(wù)器性能的高低好壞，使用每秒事務(wù)處理數(shù)（Transactions Per Second，TPS）這個(gè)指標(biāo)比較能說(shuō)明問(wèn)題，它代表著一秒內(nèi)服務(wù)器平均能響應(yīng)的請(qǐng)求數(shù)，而TPS值與程序的并發(fā)能力有著非常密切的關(guān)系。在討論Java內(nèi)存模型和線程之前，先簡(jiǎn)單介紹一下硬件的效率與一致性。

2.硬件的效率與一致性

由于計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備與處理器的運(yùn)算能力之間有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差距，所以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都不得不加入一層讀寫(xiě)速度盡可能接近處理器運(yùn)算速度的高速緩存（cache）來(lái)作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖：將運(yùn)算需要使用到的數(shù)據(jù)復(fù)制到緩存中，讓運(yùn)算能快速進(jìn)行，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束后再?gòu)木彺嫱交貎?nèi)存之中沒(méi)這樣處理器就無(wú)需等待緩慢的內(nèi)存讀寫(xiě)了。

基于高速緩存的存儲(chǔ)交互很好地解決了處理器與內(nèi)存的速度矛盾，但是引入了一個(gè)新的問(wèn)題：緩存一致性（Cache Coherence）。在多處理器系統(tǒng)中，每個(gè)處理器都有自己的高速緩存，而他們又共享同一主存。

如下圖所示：多個(gè)處理器運(yùn)算任務(wù)都涉及同一塊主存，需要一種協(xié)議可以保障數(shù)據(jù)的一致性，這類(lèi)協(xié)議有MSI、MESI、MOSI及Dragon Protocol等。Java虛擬機(jī)內(nèi)存模型中定義的內(nèi)存訪問(wèn)操作與硬件的緩存訪問(wèn)操作是具有可比性的，后續(xù)將介紹Java內(nèi)存模型。

除此之外，為了使得處理器內(nèi)部的運(yùn)算單元能竟可能被充分利用，處理器可能會(huì)對(duì)輸入代碼進(jìn)行亂起執(zhí)行（Out-Of-Order Execution）優(yōu)化，處理器會(huì)在計(jì)算之后將對(duì)亂序執(zhí)行的代碼進(jìn)行結(jié)果重組，保證結(jié)果準(zhǔn)確性。與處理器的亂序執(zhí)行優(yōu)化類(lèi)似，Java虛擬機(jī)的即時(shí)編譯器中也有類(lèi)似的指令重排序（Instruction Recorder）優(yōu)化。

3.Java內(nèi)存模型

定義Java內(nèi)存模型并不是一件容易的事情，這個(gè)模型必須定義得足夠嚴(yán)謹(jǐn)，才能讓Java的并發(fā)操作不會(huì)產(chǎn)生歧義；但是，也必須得足夠?qū)捤?，使得虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)能有足夠的自由空間去利用硬件的各種特性（寄存器、高速緩存等）來(lái)獲取更好的執(zhí)行速度。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證和修補(bǔ)，在JDK1.5發(fā)布后，Java內(nèi)存模型就已經(jīng)成熟和完善起來(lái)了。

3.1 主內(nèi)存與工作內(nèi)存

Java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序中各個(gè)變量的訪問(wèn)規(guī)則，即在虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣底層細(xì)節(jié)。此處的變量與Java編程時(shí)所說(shuō)的變量不一樣，指包括了實(shí)例字段、靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素，但是不包括局部變量與方法參數(shù)，后者是線程私有的，不會(huì)被共享。

Java內(nèi)存模型中規(guī)定了所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每條線程還有自己的工作內(nèi)存（可以與前面將的處理器的高速緩存類(lèi)比），線程的工作內(nèi)存中保存了該線程使用到的變量到主內(nèi)存副本拷貝，線程對(duì)變量的所有操作（讀取、賦值）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量。

不同線程之間無(wú)法直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要在主內(nèi)存來(lái)完成，線程、主內(nèi)存和工作內(nèi)存的交互關(guān)系如下圖所示，和上圖很類(lèi)似。

這里的主內(nèi)存、工作內(nèi)存與Java內(nèi)存區(qū)域的Java堆、棧、方法區(qū)不是同一層次內(nèi)存劃分。

3.2 內(nèi)存間交互操作

關(guān)于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間的具體交互協(xié)議，即一個(gè)變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存、如何從工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存之間的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，Java內(nèi)存模型定義了以下八種操作來(lái)完成：

1、lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占狀態(tài)。

2、unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存變量，把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來(lái)，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。

3、read（讀取）：作用于主內(nèi)存變量，把一個(gè)變量值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的load動(dòng)作使用

4、load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把read操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。

5、use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時(shí)將會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作。

6、assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦值給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的字節(jié)碼指令時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作。

7、store（存儲(chǔ)）：作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的write的操作。

8、write（寫(xiě)入）：作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存的變量中。

如果要把一個(gè)變量從主內(nèi)存中復(fù)制到工作內(nèi)存，就需要按順尋地執(zhí)行read和load操作，如果把變量從工作內(nèi)存中同步回主內(nèi)存中，就要按順序地執(zhí)行store和write操作。

Java內(nèi)存模型只要求上述操作必須按順序執(zhí)行，而沒(méi)有保證必須是連續(xù)執(zhí)行。也就是read和load之間，store和write之間是可以插入其他指令的，如對(duì)主內(nèi)存中的變量a、b進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，可能的順序是read a，read b，load b， load a。Java內(nèi)存模型還規(guī)定了在執(zhí)行上述八種基本操作時(shí)，必須滿足如下規(guī)則：

1、不允許read和load、store和write操作之一單獨(dú)出現(xiàn)

2、不允許一個(gè)線程丟棄它的最近assign的操作，即變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須同步到主內(nèi)存中。

3、不允許一個(gè)線程無(wú)原因地（沒(méi)有發(fā)生過(guò)任何assign操作）把數(shù)據(jù)從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中。

4、一個(gè)新的變量只能在主內(nèi)存中誕生，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個(gè)未被初始化（load或assign）的變量。即就是對(duì)一個(gè)變量實(shí)施use和store操作之前，必須先執(zhí)行過(guò)了assign和load操作。

5、一個(gè)變量在同一時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行l(wèi)ock操作，lock和unlock必須成對(duì)出現(xiàn)

6、如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值

7、如果一個(gè)變量事先沒(méi)有被lock操作鎖定，則不允許對(duì)它執(zhí)行unlock操作；也不允許去unlock一個(gè)被其他線程鎖定的變量。

8、對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步到主內(nèi)存中（執(zhí)行store和write操作）。

3.3 重排序

在執(zhí)行程序時(shí)為了提高性能，編譯器和處理器經(jīng)常會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序。重排序分成三種類(lèi)型：

1、編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語(yǔ)義放入前提下，可以重新安排語(yǔ)句的執(zhí)行順序。

2、指令級(jí)并行的重排序。現(xiàn)代處理器采用了指令級(jí)并行技術(shù)來(lái)將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語(yǔ)句對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。

3、內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀寫(xiě)緩沖區(qū)，這使得加載和存儲(chǔ)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

從Java源代碼到最終實(shí)際執(zhí)行的指令序列，會(huì)經(jīng)過(guò)下面三種重排序：

為了保證內(nèi)存的可見(jiàn)性，Java編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會(huì)插入內(nèi)存屏障指令來(lái)禁止特定類(lèi)型的處理器重排序。Java內(nèi)存模型把內(nèi)存屏障分為L(zhǎng)oadLoad、LoadStore、StoreLoad和StoreStore四種：

以上就是Java內(nèi)存模型圖文詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多請(qǐng)關(guān)注億速云其它相關(guān)文章！