jvm中java內(nèi)存模型的示例分析

一、java內(nèi)存模型和java內(nèi)存結(jié)構(gòu)有什么區(qū)別

1、java內(nèi)存結(jié)構(gòu)

記得是在好幾年前研究Android的時(shí)候，看的java內(nèi)存模型，時(shí)常和java內(nèi)存結(jié)構(gòu)分不清，因此，這一小節(jié)是針對(duì)小白或者是對(duì)其概念還不理解的人。

我們都知道，我們的java代碼其實(shí)是不能直接運(yùn)行的，他要經(jīng)過(guò)一系列的步驟。看下圖：

我們的java文件，首先要經(jīng)過(guò)編程成為class文件，然后通過(guò)類裝載器加載到j(luò)vm中去執(zhí)行。這個(gè)jvm（紅色虛線框起來(lái)的這部分）就是java運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，意思就是java代碼在運(yùn)行的時(shí)候，這些數(shù)據(jù)要存放在不同的內(nèi)存空間里面。jvm就是指代這個(gè)的。當(dāng)然了上面的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)jvm是jdk1.7版本的。也就是說(shuō)不同的jdk版本，這個(gè)jvm長(zhǎng)得是不一樣的。我們可以把java7的內(nèi)存結(jié)構(gòu)拿出來(lái)：

我們可以看到一共劃分了5個(gè)部分，其中java堆區(qū)和方法區(qū)還是所有線程共享的一片區(qū)域。為什么要所有線程共享呢？因?yàn)榧僭O(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)線程都保留一份，那其中有一個(gè)線程調(diào)皮，把這個(gè)數(shù)據(jù)更改了。其他的線程發(fā)現(xiàn)自己的數(shù)據(jù)沒(méi)有變，這就出現(xiàn)了問(wèn)題了。于是設(shè)計(jì)成了所有線程共享，java內(nèi)存模型出來(lái)了。

2、java內(nèi)存模型

java內(nèi)存模型也叫做JMM,但是這個(gè)模型可不是像java內(nèi)存結(jié)構(gòu)一樣，是真實(shí)存在的。java內(nèi)存模型是一個(gè)抽象出來(lái)的概念。意思是把一部分內(nèi)存區(qū)域設(shè)計(jì)成所有線程共享的，一個(gè)線程對(duì)數(shù)據(jù)更改，其他線程就能立刻知道。這種設(shè)計(jì)的方法叫做內(nèi)存模型。我們可以提前看一下：java內(nèi)存模型長(zhǎng)什么樣。

這就是java內(nèi)存模型，也就是多個(gè)線程共享同一份數(shù)據(jù)。現(xiàn)在不知道你理解java內(nèi)存模型和java內(nèi)存結(jié)構(gòu)的區(qū)別了沒(méi)有，我們可以這樣來(lái)總結(jié)一下：

（1）java內(nèi)存結(jié)構(gòu)是解決java中的數(shù)據(jù)如何存放的問(wèn)題。

（2）java內(nèi)存模型是解決java中多個(gè)線程共享數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

OK，到了這基本上就算是把兩者的區(qū)別介紹完了。下面就來(lái)看看為什么要有內(nèi)存模型吧

二、為什么要有內(nèi)存模型

深入理解java虛擬機(jī)是從硬件的發(fā)展來(lái)分析的。因此，我也將從這個(gè)角度來(lái)分析。

階段一

在計(jì)算機(jī)發(fā)展的第一個(gè)階段，程序是在CPU中運(yùn)行，數(shù)據(jù)在主存中保存。隨著技術(shù)的發(fā)展，CPU的速度越來(lái)越多高，但是主存的速度卻沒(méi)有提高太多。就好比是下面這種情況：

階段二

為了解決上面的問(wèn)題，于是乎出現(xiàn)了緩存，里面存放了一些CPU經(jīng)常使用的主存數(shù)據(jù)，緩存的速度和CPU差不多，當(dāng)CPU查找數(shù)據(jù)的時(shí)候，首先從緩存中查找，沒(méi)有的話再?gòu)闹鞔嬷胁檎?。寫?shù)據(jù)的時(shí)候，先寫緩存的數(shù)據(jù)，然后再更新到主存中。這樣一種機(jī)制使得速度提高很多。

階段三

技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，在上面緩存的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了一級(jí)二級(jí)三級(jí)緩存，查找也是逐層的，第一級(jí)緩存沒(méi)有就到第二層，就這樣以此類推。這時(shí)候CPU也得到了快讀發(fā)展，由之前的一個(gè)核變成了多核CPU（一個(gè)CPU變成了多部分）。

這時(shí)候呢，之前只能同時(shí)跑一個(gè)線程，現(xiàn)在就能跑很多個(gè)線程了。而且從上面我們可以看到，每一個(gè)核都有相應(yīng)的緩存區(qū)，但是主內(nèi)存還是哪一個(gè)。既然能同時(shí)跑多個(gè)線程，那速度肯定杠杠滴就上去了吧，不跑不知道，一跑嚇一跳，立馬出現(xiàn)了很多個(gè)問(wèn)題。

問(wèn)題一：緩存一致性問(wèn)題

也就是說(shuō)，每一個(gè)核都有自己的緩存區(qū)，但是這些緩存區(qū)保存的數(shù)據(jù)卻不一樣。一張圖就明白了：

問(wèn)題二：處理器優(yōu)化和指令重排

這問(wèn)題的意思是，既然CPU有這么多內(nèi)核，肯定是想讓資源得到充分利用，于是把我們寫的程序拆分，對(duì)一些代碼進(jìn)行亂序處理，這就是處理器優(yōu)化。而且，java虛擬機(jī)一看CPU的這個(gè)操作真的強(qiáng)，于是就模仿了一下，創(chuàng)建了即時(shí)編譯器（JIT），這個(gè)編譯器也會(huì)做指令重排的操作。很明顯，我們的代碼順序被打亂，指令被重排，就可能不會(huì)按照我們的意愿去執(zhí)行了。

上面出現(xiàn)的這些問(wèn)題，好像都是從硬件的角度來(lái)分析的，《深入理解java虛擬機(jī)》一書于是引出了軟件的問(wèn)題，也就是說(shuō)，上面的這些問(wèn)題如果轉(zhuǎn)化到軟件層次會(huì)帶來(lái)什么問(wèn)題呢？

問(wèn)題三：軟件問(wèn)題

（1）原子性問(wèn)題

首先緩存一致性問(wèn)題在程序中會(huì)帶來(lái)原子性問(wèn)題，原子性問(wèn)題是什么意思呢？你首先就要先理解原子。在生物里面原子叫做不可再分的物質(zhì)。在軟件里面，原子叫做不可再分的程序操作。而原子性問(wèn)題肯定就是打破了這個(gè)規(guī)則，也就是說(shuō)在這個(gè)操作中又進(jìn)行了拆分。

在緩存一致性問(wèn)題中，兩個(gè)CPU內(nèi)核中a的數(shù)據(jù)不一致，也就是說(shuō)兩個(gè)CPU內(nèi)核讀取主存a的值是不一樣的。那么對(duì)于a的更改這個(gè)操作肯定就不是原子性，在A更改的過(guò)程中，兩個(gè)CPU內(nèi)核同時(shí)進(jìn)行了更改。

（2）可見(jiàn)性問(wèn)題

上面在介紹原子性問(wèn)題的時(shí)候說(shuō)了，兩個(gè)線程（CPU內(nèi)核）訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)，線程2修改了這個(gè)變量的值，但是線程1卻沒(méi)有看到其修改，所以讀的仍然是舊數(shù)據(jù)。

（3）有序性

也就是程序沒(méi)有按照指定的順序去執(zhí)行。

可見(jiàn)性問(wèn)題和有序性問(wèn)題就是由于處理器優(yōu)化和執(zhí)行重排造成的。

階段四

針對(duì)于這么多問(wèn)題，于是java虛擬機(jī)提出了一個(gè)java內(nèi)存模型。有效地解決了上面出現(xiàn)的這三個(gè)問(wèn)題：

三、java內(nèi)存模型

1、解釋

為了和開頭進(jìn)行對(duì)照，我們?cè)俳o出以此他的內(nèi)存模型圖：

從這張圖我們分析一下java內(nèi)存模型是如何解決上面的三個(gè)問(wèn)題的。

規(guī)則一：所有的數(shù)據(jù)都在主內(nèi)存中。

規(guī)則二：每個(gè)線程都保留一份共享變量的副本。線程對(duì)變量的所有操作都必須在這個(gè)副本內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存。

規(guī)則三：不同的線程之間也無(wú)法直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量的傳遞均需要自己的工作內(nèi)存和主存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步進(jìn)行。

看文字有點(diǎn)亂，我們舉個(gè)例子，這個(gè)例子我覺(jué)得不太恰當(dāng)，但是結(jié)合著上面的概念，相信你會(huì)明白的。在古代的時(shí)候經(jīng)常發(fā)生旱災(zāi)，朝廷去賑災(zāi)，于是拿了一個(gè)大鐵鍋煮粥，這個(gè)大鐵鍋就是主內(nèi)存，里面的粥就是數(shù)據(jù)。而每個(gè)難民就代表了不同的線程。

（1）難民都有一個(gè)碗，盛放一碗粥。就好比是每個(gè)線程都有一個(gè)本地內(nèi)存，有一個(gè)主內(nèi)存的副本。

（2）難民喝粥就只能在自己碗里，不能直接爬到鍋中喝粥，就好比線程只能在自己的本地內(nèi)存中操作數(shù)據(jù)，不能直接到主內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)。

（3）其中一個(gè)難民想要把粥分給伙伴，怎么辦呢？這個(gè)難民要先把粥倒進(jìn)鍋里，同伴再去鍋里盛。就好比線程不能直接訪問(wèn)對(duì)方的內(nèi)存，他們之間的數(shù)據(jù)傳遞都是通過(guò)主內(nèi)存。

這個(gè)例子希望你能明白。現(xiàn)在這個(gè)模型算是出來(lái)了，還有一個(gè)問(wèn)題沒(méi)有解決，那就是java提供了什么東西來(lái)實(shí)現(xiàn)的這三個(gè)規(guī)則呢？

由于提供的機(jī)制太多，我們可以簡(jiǎn)單的例舉幾個(gè)，比如說(shuō)synchronized關(guān)鍵字保證了原子性，volatile關(guān)鍵字保證了可見(jiàn)性。synchronized關(guān)鍵字和volatile關(guān)鍵字保證了有序性。當(dāng)然還有很多的Lock機(jī)制，并發(fā)包里面等等都是為了解決這三個(gè)問(wèn)題提出來(lái)的。

2、happens-before原則

其中有一條很重要的規(guī)則叫做happens-before原則，這條原則是為了解決可見(jiàn)性提出來(lái)的。什么意思呢？

如果一個(gè)操作的執(zhí)行結(jié)果需要對(duì)另一個(gè)操作可見(jiàn)，那么這兩個(gè)操作之間必須要存在happens-before關(guān)系。舉個(gè)例子：

（1）程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作發(fā)生在后一個(gè)操作之前，這就是happens-before。

（2）鎖規(guī)則：對(duì)于鎖機(jī)制，一定要先加鎖，才能解鎖，這也是happens-before。

（3）volatile域規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile域的寫操作一定要發(fā)生在讀操作前面。

上面是在程序角度來(lái)看的，舉一個(gè)最簡(jiǎn)單不過(guò)的例子，你必須要做飯，才能夠吃到飯。