Java內(nèi)存模型以及鎖的內(nèi)存語(yǔ)義

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【1】CPU和緩存的一致性

我們應(yīng)該都知道，計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的時(shí)候，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的，而執(zhí)行的時(shí)候，又免不了要和數(shù)據(jù)打交道。而計(jì)算機(jī)上面的數(shù)據(jù)，是存放在主存當(dāng)中的，也就是計(jì)算機(jī)的物理內(nèi)存啦。

剛開始，還相安無事的，但是隨著CPU技術(shù)的發(fā)展，CPU的執(zhí)行速度越來越快。而由于內(nèi)存的技術(shù)并沒有太大的變化，所以從內(nèi)存中讀取和寫入數(shù)據(jù)的過程和CPU的執(zhí)行速度比起來差距就會(huì)越來越大,這就導(dǎo)致CPU每次操作內(nèi)存都要耗費(fèi)很多等待時(shí)間。

所以，人們想出來了一個(gè)好的辦法，就是在CPU和內(nèi)存之間增加高速緩存。緩存的概念大家都知道，就是保存一份數(shù)據(jù)拷貝。他的特點(diǎn)是速度快，內(nèi)存小，并且昂貴。

那么，程序的執(zhí)行過程就變成了：

當(dāng)程序在運(yùn)行過程中，會(huì)將運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到CPU的高速緩存當(dāng)中，那么CPU進(jìn)行計(jì)算時(shí)就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束之后，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當(dāng)中。

在CPU和主存之間增加緩存，在多線程場(chǎng)景下就可能存在緩存一致性問題，也就是說，在多核CPU中，每個(gè)核的自己的緩存中，關(guān)于同一個(gè)數(shù)據(jù)的緩存內(nèi)容可能不一致。

【2】處理器優(yōu)化和指令重排

上面提到在在CPU和主存之間增加緩存，在多線程場(chǎng)景下會(huì)存在緩存一致性問題。除了這種情況，還有一種硬件問題也比較重要。那就是為了使處理器內(nèi)部的運(yùn)算單元能夠盡量的被充分利用，處理器可能會(huì)對(duì)輸入代碼進(jìn)行亂序執(zhí)行處理。這就是處理器優(yōu)化。

除了現(xiàn)在很多流行的處理器會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化亂序處理，很多編程語(yǔ)言的編譯器也會(huì)有類似的優(yōu)化，比如Java虛擬機(jī)的即時(shí)編譯器（JIT）也會(huì)做指令重排。

可想而知，如果任由處理器優(yōu)化和編譯器對(duì)指令重排的話，就可能導(dǎo)致各種各樣的問題。

解決方法：內(nèi)存屏障

【3】什么是Java內(nèi)存模型

內(nèi)存模型

為了保證共享內(nèi)存的正確性（可見性、有序性、原子性），內(nèi)存模型定義了共享內(nèi)存系統(tǒng)中多線程程序讀寫操作行為的規(guī)范。通過這些規(guī)則來規(guī)范對(duì)內(nèi)存的讀寫操作，從而保證指令執(zhí)行的正確性。

Java內(nèi)存模型(Java Memory Model，JMM)是java虛擬機(jī)規(guī)范定義的，用來屏蔽掉java程序在各種不同的硬件和操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的訪問的差異，這樣就可以實(shí)現(xiàn)java程序在各種不同的平臺(tái)上都能達(dá)到內(nèi)存訪問的一致性。

Java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序中變量的訪問規(guī)則。即在虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到主內(nèi)存或者將變量從主內(nèi)存取出這樣的底層細(xì)節(jié)。需要注意的是這里的變量跟我們寫java程序中的變量不是完全等同的。這里的變量是指實(shí)例字段，靜態(tài)字段，構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素，但是不包括局部變量和方法參數(shù)(因?yàn)檫@是線程私有的)。

Java內(nèi)存模型中涉及到的概念有：

主內(nèi)存：java虛擬機(jī)規(guī)定所有的變量(不是程序中的變量)都必須在主內(nèi)存中產(chǎn)生?？梢耘c前面說的物理機(jī)的主內(nèi)存相比，只不過物理機(jī)的主內(nèi)存是整個(gè)機(jī)器的內(nèi)存，而虛擬機(jī)的主內(nèi)存是虛擬機(jī)內(nèi)存中的一部分。

工作內(nèi)存：java虛擬機(jī)中每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存，該內(nèi)存是線程私有的?？梢耘c前面說的高速緩存相比。線程的工作內(nèi)存保存了線程需要的變量在主內(nèi)存中的副本。虛擬機(jī)規(guī)定，線程對(duì)主內(nèi)存變量的修改必須在線程的工作內(nèi)存中進(jìn)行，不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。不同的線程之間也不能相互訪問對(duì)方的工作內(nèi)存。如果線程之間需要傳遞變量的值，必須通過主內(nèi)存來作為中介進(jìn)行傳遞。

工作內(nèi)存和主內(nèi)存的劃分和 Java 堆，棧，方法區(qū)的劃分不同，兩者基本沒有關(guān)系，如果勉強(qiáng)對(duì)應(yīng)，則主內(nèi)存可理 解為堆中實(shí)例數(shù)據(jù)部分，工作內(nèi)存則對(duì)應(yīng)棧中部分區(qū)域

【4】volatile的內(nèi)存語(yǔ)義

volatile寫的內(nèi)存語(yǔ)義：

當(dāng)寫一個(gè)變量的時(shí)候，JMM會(huì)把該線程的私有內(nèi)存中的共享變量值更新到主內(nèi)存中，并將其他線程中的值置為無效的；

volatile讀的內(nèi)存語(yǔ)義：

當(dāng)讀一個(gè)變量的時(shí)候，JMM會(huì)先判斷是否私有空間內(nèi)的值是否失效，若失效，線程接下來會(huì)從主存中讀取變量。

【5】鎖的內(nèi)存語(yǔ)義

當(dāng)線程釋放鎖時(shí)，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存中。

當(dāng)線程獲取鎖時(shí)，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效。從而使得被監(jiān)視器保護(hù)的臨界區(qū)代碼必須要從主內(nèi)存中去讀取共享變量。

到此，關(guān)于“Java內(nèi)存模型以及鎖的內(nèi)存語(yǔ)義”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會(huì)繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬?shí)用的文章！