Java內(nèi)存模型的原理以及其用法是什么

Java內(nèi)存模型的原理以及其用法是什么，針對這個問題，這篇文章詳細介紹了相對應的分析和解答，希望可以幫助更多想解決這個問題的小伙伴找到更簡單易行的方法。

為什么要有內(nèi)存模型

在介紹 Java 內(nèi)存模型之前，我們先來看一下到底什么是計算機內(nèi)存模型，然后再來看 Java 內(nèi)存模型在計算機內(nèi)存模型的基礎上都做了哪些事情。

要說計算機的內(nèi)存模型，就要說一段古老的歷史，看一下為什么要有內(nèi)存模型。

內(nèi)存模型：英文名 Memory Model，它是一個老古董了。它是與計算機硬件有關的一個概念。那么，我先介紹下它和硬件到底有啥關系。

CPU 和緩存一致性

我們應該知道，計算機在執(zhí)行程序的時候，每條指令都是在 CPU 中執(zhí)行的，而執(zhí)行的時候，又免不了和數(shù)據(jù)打交道。

而計算機上面的數(shù)據(jù)，是存放在主存當中的，也就是計算機的物理內(nèi)存。

剛開始，還相安無事，但是隨著 CPU 技術的發(fā)展，CPU 的執(zhí)行速度越來越快。

而由于內(nèi)存的技術并沒有太大的變化，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越來越大，這就導致 CPU 每次操作內(nèi)存都要耗費很多等待時間。

這就像一家創(chuàng)業(yè)公司，剛開始，創(chuàng)始人和員工之間工作關系其樂融融，但是隨著創(chuàng)始人的能力和野心越來越大，逐漸和員工之間出現(xiàn)了差距，普通員工越來越跟不上 CEO 的腳步。

老板的每一個命令，傳達到基層員工之后，由于基層員工的理解能力、執(zhí)行能力的欠缺，就會耗費很多時間。這也就無形中拖慢了整家公司的工作效率。

可是，不能因為內(nèi)存的讀寫速度慢，就不發(fā)展 CPU 技術了吧？總不能讓內(nèi)存成為計算機處理的瓶頸吧？

所以，人們想出來了一個好的辦法，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。它的特點是速度快，內(nèi)存小，并且價格昂貴。

那么，程序的執(zhí)行過程就變成了：程序在運行過程中，會將運算需要的數(shù)據(jù)從主存復制一份到 CPU 的高速緩存當中。

那么 CPU 進行計算時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)，當運算結束之后，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當中。

之后，這家公司開始設立中層管理人員，管理人員直接歸 CEO 領導，領導有什么指示，直接告訴管理人員，然后就可以去做自己的事情了。管理人員負責去協(xié)調(diào)底層員工的工作。

因為管理人員是了解手下的人員以及自己負責的事情的。所以大多數(shù)時候，公司的各種決策，通知等，CEO 只要和管理人員之間溝通就夠了。

而隨著 CPU 能力的不斷提升，一層緩存就慢慢的無法滿足要求了，就逐漸的衍生出多級緩存。

按照數(shù)據(jù)讀取順序和與 CPU 結合的緊密程度，CPU 緩存可以分為一級緩存（L1），二級緩存（L2），部分高端 CPU 還具有三級緩存（L3），每一級緩存中所儲存的全部數(shù)據(jù)都是下一級緩存的一部分。

這三種緩存的技術難度和制造成本是相對遞減的，所以其容量也是相對遞增的。

那么，在有了多級緩存之后，程序的執(zhí)行就變成了：當 CPU 要讀取一個數(shù)據(jù)時，首先從一級緩存中查找，如果沒有找到再從二級緩存中查找，如果還是沒有就從三級緩存或內(nèi)存中查找。

隨著公司越來越大，老板要管的事情越來越多，公司的管理部門開始改革，開始出現(xiàn)高層，中層，底層等管理者。一級一級之間逐層管理。

單核 CPU 只含有一套 L1，L2，L3 緩存；如果 CPU 含有多個核心，即多核 CPU，則每個核心都含有一套 L1（甚至和 L2）緩存，而共享 L3（或者和 L2）緩存。

公司也分很多種，有些公司只有一個大 Boss，他一個人說了算。但是有些公司有比如聯(lián)席總經(jīng)理、合伙人等機制。

單核 CPU 就像一家公司只有一個老板，所有命令都來自于他，那么就只需要一套管理班底就夠了。

多核 CPU 就像一家公司是由多個合伙人共同創(chuàng)辦的，那么，就需要給每個合伙人都設立一套供自己直接領導的高層管理人員，多個合伙人共享使用的是公司的底層員工。

還有的公司，不斷壯大，開始拆分出各個子公司。各個子公司就是多個 CPU 了，互相之前沒有共用的資源?；ゲ挥绊憽?/p>

下圖為一個單 CPU 雙核的緩存結構：

隨著計算機能力不斷提升，開始支持多線程。那么問題就來了，我們分別來分析下單線程、多線程在單核 CPU、多核 CPU 中的影響。

單線程：CPU 核心的緩存只被一個線程訪問。緩存獨占，不會出現(xiàn)訪問沖突等問題。

單核 CPU，多線程：進程中的多個線程會同時訪問進程中的共享數(shù)據(jù)，CPU 將某塊內(nèi)存加載到緩存后，不同線程在訪問相同的物理地址的時候，都會映射到相同的緩存位置，這樣即使發(fā)生線程的切換，緩存仍然不會失效。

但由于任何時刻只能有一個線程在執(zhí)行，因此不會出現(xiàn)緩存訪問沖突。

多核 CPU，多線程：每個核都至少有一個 L1  緩存。多個線程訪問進程中的某個共享內(nèi)存，且這多個線程分別在不同的核心上執(zhí)行，則每個核心都會在各自的 Cache 中保留一份共享內(nèi)存的緩沖。

由于多核是可以并行的，可能會出現(xiàn)多個線程同時寫各自的緩存的情況，而各自的 Cache 之間的數(shù)據(jù)就有可能不同。

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

如果這家公司的命令都是串行下發(fā)的話，那么就沒有任何問題。

如果這家公司的命令都是并行下發(fā)的話，并且這些命令都是由同一個 CEO 下發(fā)的，這種機制是也沒有什么問題。因為他的命令執(zhí)行者只有一套管理體系。

如果這家公司的命令都是并行下發(fā)的話，并且這些命令是由多個合伙人下發(fā)的，這就有問題了。

因為每個合伙人只會把命令下達給自己直屬的管理人員，而多個管理人員管理的底層員工可能是公用的。

比如，合伙人 1 要辭退員工 a，合伙人 2 要給員工 a 升職，升職后的話他再被辭退需要多個合伙人開會決議。兩個合伙人分別把命令下發(fā)給了自己的管理人員。

合伙人 1 命令下達后，管理人員 a 在辭退了員工后，他就知道這個員工被開除了。

而合伙人 2 的管理人員 2 這時候在沒得到消息之前，還認為員工 a 是在職的，他就欣然的接收了合伙人給他的升職 a 的命令。

處理器優(yōu)化和指令重排

上面提到在 CPU 和主存之間增加緩存，在多線程場景下會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)部的運算單元能夠被充分利用，處理器可能會對輸入代碼進行亂序執(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對代碼進行優(yōu)化亂序處理，很多編程語言的編譯器也會有類似的優(yōu)化，比如 Java 虛擬機的即時編譯器（JIT）也會做指令重排。

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

關于員工組織調(diào)整的情況，如果允許人事部在接到多個命令后進行隨意拆分亂序執(zhí)行或者重排的話，那么對于這個員工以及這家公司的影響是非常大的。

并發(fā)編程的問題

前面說的和硬件有關的概念你可能聽得有點蒙，還不知道他到底和軟件有啥關系。

但是關于并發(fā)編程的問題你應該有所了解了，比如原子性問題，可見性問題和有序性問題。

其實，原子性問題，可見性問題和有序性問題是人們抽象定義出來的。而這個抽象的底層問題就是前面提到的緩存一致性問題、處理器優(yōu)化問題和指令重排問題等。

這里簡單回顧下這三個問題，我們說，并發(fā)編程，為了保證數(shù)據(jù)的安全，需要滿足以下三個特性：

原子性，是指在一個操作中，CPU 不可以在中途暫停然后再調(diào)度，即不被中斷操作，要不執(zhí)行完成，要不就不執(zhí)行。

可見性，是指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

有序性，即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

有沒有發(fā)現(xiàn)，緩存一致性問題其實就是可見性問題。而處理器優(yōu)化是可以導致原子性問題的。指令重排即會導致有序性問題。

所以，后文將不再提起硬件層面的那些概念，而是直接使用大家熟悉的原子性、可見性和有序性。

什么是內(nèi)存模型

前面提到的，緩存一致性問題、處理器優(yōu)化的指令重排問題是硬件的不斷升級導致的。那么，有沒有什么機制可以很好的解決上面的這些問題呢？

最簡單直接的做法就是廢除處理器和處理器的優(yōu)化技術、廢除 CPU 緩存，讓 CPU 直接和主存交互。

但是，這么做雖然可以保證多線程下的并發(fā)問題。但是，這就有點因噎廢食了。

所以，為了保證并發(fā)編程中可以滿足原子性、可見性及有序性。有一個重要的概念，那就是——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)范對內(nèi)存的讀寫操作，從而保證指令執(zhí)行的正確性。它與處理器有關、與緩存有關、與并發(fā)有關、與編譯器也有關。

它解決了 CPU 多級緩存、處理器優(yōu)化、指令重排等導致的內(nèi)存訪問問題，保證了并發(fā)場景下的一致性、原子性和有序性。

內(nèi)存模型解決并發(fā)問題主要采用兩種方式：

限制處理器優(yōu)化

使用內(nèi)存屏障

本文就不深入底層原理來展開介紹了，感興趣的朋友可以自行學習。

什么是 Java 內(nèi)存模型

前面介紹了計算機內(nèi)存模型，這是解決多線程場景下并發(fā)問題的一個重要規(guī)范。

那么具體的實現(xiàn)是如何的呢？不同的編程語言，在實現(xiàn)上可能有所不同。

我們知道，Java 程序是需要運行在 Java 虛擬機上面的，Java 內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM）就是一種符合內(nèi)存模型規(guī)范的，屏蔽了各種硬件和操作系統(tǒng)的訪問差異的，保證了 Java 程序在各種平臺下對內(nèi)存的訪問都能保證效果一致的機制及規(guī)范。

提到 Java 內(nèi)存模型，一般指的是 JDK 5 開始使用的新內(nèi)存模型，主要由 JSR-133：JavaTM Memory Model and Thread Specification 描述。

感興趣的可以參看下這份PDF文檔：

http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr133.pdf

Java 內(nèi)存模型規(guī)定了所有的變量都存儲在主內(nèi)存中，每條線程還有自己的工作內(nèi)存。

線程的工作內(nèi)存中保存了該線程中用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進行，而不能直接讀寫主內(nèi)存。

不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量的傳遞均需要自己的工作內(nèi)存和主存之間進行數(shù)據(jù)同步進行。

而 JMM 就作用于工作內(nèi)存和主存之間數(shù)據(jù)同步過程。它規(guī)定了如何做數(shù)據(jù)同步以及什么時候做數(shù)據(jù)同步。

這里面提到的主內(nèi)存和工作內(nèi)存，讀者可以簡單的類比成計算機內(nèi)存模型中的主存和緩存的概念。

特別需要注意的是，主內(nèi)存和工作內(nèi)存與 JVM 內(nèi)存結構中的 Java 堆、棧、方法區(qū)等并不是同一個層次的內(nèi)存劃分，無法直接類比。

《深入理解Java虛擬機》中認為：如果一定要勉強對應起來的話，從變量、主內(nèi)存、工作內(nèi)存的定義來看，主內(nèi)存主要對應于 Java 堆中的對象實例數(shù)據(jù)部分。而工作內(nèi)存則對應于虛擬機棧中的部分區(qū)域。

所以，再來總結下，JMM 是一種規(guī)范，是解決由于多線程通過共享內(nèi)存進行通信時，存在的本地內(nèi)存數(shù)據(jù)不一致、編譯器會對代碼指令重排序、處理器會對代碼亂序執(zhí)行等帶來的問題。

目的是保證并發(fā)編程場景中的原子性、可見性和有序性。

Java 內(nèi)存模型的實現(xiàn)

了解 Java 多線程的朋友都知道，在 Java 中提供了一系列和并發(fā)處理相關的關鍵字，比如 Volatile、Synchronized、Final、Concurren 包等。

其實這些就是 Java 內(nèi)存模型封裝了底層的實現(xiàn)后提供給程序員使用的一些關鍵字。

在開發(fā)多線程的代碼的時候，我們可以直接使用 Synchronized 等關鍵字來控制并發(fā)，這樣就不需要關心底層的編譯器優(yōu)化、緩存一致性等問題。

所以，Java 內(nèi)存模型，除了定義了一套規(guī)范，還提供了一系列原語，封裝了底層實現(xiàn)后，供開發(fā)者直接使用。

我們前面提到，并發(fā)編程要解決原子性、有序性和一致性的問題。下面我們就再來看下，在 Java 中，分別使用什么方式來保證。

原子性

在 Java 中，為了保證原子性，提供了兩個高級的字節(jié)碼指令 Monitorenter 和 Monitorexit。

在 Synchronized 的實現(xiàn)原理文章中，介紹過，這兩個字節(jié)碼，在 Java 中對應的關鍵字就是 Synchronized。

因此，在 Java 中可以使用 Synchronized 來保證方法和代碼塊內(nèi)的操作是原子性的。

可見性

Java 內(nèi)存模型是通過在變量修改后將新值同步回主內(nèi)存，在變量讀取前從主內(nèi)存刷新變量值的這種依賴主內(nèi)存作為傳遞媒介的方式來實現(xiàn)的。

Java 中的 Volatile 關鍵字提供了一個功能，那就是被其修飾的變量在被修改后可以立即同步到主內(nèi)存。

被其修飾的變量在每次使用之前都從主內(nèi)存刷新。因此，可以使用 Volatile 來保證多線程操作時變量的可見性。

除了 Volatile，Java 中的 Synchronized 和 Final 兩個關鍵字也可以實現(xiàn)可見性。只不過實現(xiàn)方式不同，這里不再展開了。

有序性

在 Java 中，可以使用 Synchronized 和 Volatile 來保證多線程之間操作的有序性。

實現(xiàn)方式有所區(qū)別：Volatile 關鍵字會禁止指令重排。Synchronized 關鍵字保證同一時刻只允許一條線程操作。

好了，這里簡單的介紹完了 Java 并發(fā)編程中解決原子性、可見性以及有序性可以使用的關鍵字。

讀者可能發(fā)現(xiàn)了，好像 Synchronized 關鍵字是萬能的，它可以同時滿足以上三種特性，這也是很多人濫用 Synchronized 的原因。

但是 Synchronized 是比較影響性能的，雖然編譯器提供了很多鎖優(yōu)化技術，但是也不建議過度使用。

關于Java內(nèi)存模型的原理以及其用法是什么問題的解答就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助，如果你還有很多疑惑沒有解開，可以關注億速云行業(yè)資訊頻道了解更多相關知識。