Java內(nèi)存模型的示例分析

這篇文章主要為大家展示了“Java內(nèi)存模型的示例分析”，內(nèi)容簡而易懂，條理清晰，希望能夠幫助大家解決疑惑，下面讓小編帶領(lǐng)大家一起研究并學(xué)習(xí)一下“Java內(nèi)存模型的示例分析”這篇文章吧。

1. 為什么要有內(nèi)存模型？

要想回答這個問題，我們需要先弄懂傳統(tǒng)計算機硬件內(nèi)存架構(gòu)。好了，我要開始畫圖了。

1.1. 硬件內(nèi)存架構(gòu)

（1）CPU

去過機房的同學(xué)都知道，一般在大型服務(wù)器上會配置多個CPU，每個CPU還會有多個核，這就意味著多個CPU或者多個核可以同時（并發(fā)）工作。如果使用Java 起了一個多線程的任務(wù)，很有可能每個 CPU 都會跑一個線程，那么你的任務(wù)在某一刻就是真正并發(fā)執(zhí)行了。

（2）CPU Register

CPU Register也就是 CPU 寄存器。CPU 寄存器是 CPU 內(nèi)部集成的，在寄存器上執(zhí)行操作的效率要比在主存上高出幾個數(shù)量級。

（3）CPU Cache Memory

CPU Cache Memory也就是 CPU 高速緩存，相對于寄存器來說，通常也可以成為 L2 二級緩存。相對于硬盤讀取速度來說內(nèi)存讀取的效率非常高，但是與 CPU 還是相差數(shù)量級，所以在 CPU 和主存間引入了多級緩存，目的是為了做一下緩沖。

（4）Main Memory

Main Memory 就是主存，主存比 L1、L2 緩存要大很多。

注意：部分高端機器還有 L3 三級緩存。

1.2. 緩存一致性問題

由于主存與 CPU 處理器的運算能力之間有數(shù)量級的差距，所以在傳統(tǒng)計算機內(nèi)存架構(gòu)中會引入高速緩存來作為主存和處理器之間的緩沖，CPU 將常用的數(shù)據(jù)放在高速緩存中，運算結(jié)束后 CPU 再講運算結(jié)果同步到主存中。

使用高速緩存解決了 CPU 和主存速率不匹配的問題，但同時又引入另外一個新問題：緩存一致性問題。

在多CPU的系統(tǒng)中(或者單CPU多核的系統(tǒng))，每個CPU內(nèi)核都有自己的高速緩存，它們共享同一主內(nèi)存(Main Memory)。當(dāng)多個CPU的運算任務(wù)都涉及同一塊主內(nèi)存區(qū)域時，CPU 會將數(shù)據(jù)讀取到緩存中進行運算，這可能會導(dǎo)致各自的緩存數(shù)據(jù)不一致。

因此需要每個 CPU 訪問緩存時遵循一定的協(xié)議，在讀寫數(shù)據(jù)時根據(jù)協(xié)議進行操作，共同來維護緩存的一致性。這類協(xié)議有 MSI、MESI、MOSI、和 Dragon Protocol 等。

1.3. 處理器優(yōu)化和指令重排序

為了提升性能在 CPU 和主內(nèi)存之間增加了高速緩存，但在多線程并發(fā)場景可能會遇到緩存一致性問題。那還有沒有辦法進一步提升 CPU 的執(zhí)行效率呢？答案是：處理器優(yōu)化。

為了使處理器內(nèi)部的運算單元能夠最大化被充分利用，處理器會對輸入代碼進行亂序執(zhí)行處理，這就是處理器優(yōu)化。

除了處理器會對代碼進行優(yōu)化處理，很多現(xiàn)代編程語言的編譯器也會做類似的優(yōu)化，比如像 Java 的即時編譯器（JIT）會做指令重排序。

處理器優(yōu)化其實也是重排序的一種類型，這里總結(jié)一下，重排序可以分為三種類型：

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

• 指令級并行的重排序?，F(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術(shù)來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應(yīng)機器指令的執(zhí)行順序。

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

2. 并發(fā)編程的問題

上面講了一堆硬件相關(guān)的東西，有些同學(xué)可能會有點懵，繞了這么大圈，這些東西跟 Java 內(nèi)存模型有啥關(guān)系嗎？不要急咱們慢慢往下看。

熟悉 Java 并發(fā)的同學(xué)肯定對這三個問題很熟悉：『可見性問題』、『原子性問題』、『有序性問題』。如果從更深層次看這三個問題，其實就是上面講的『緩存一致性』、『處理器優(yōu)化』、『指令重排序』造成的。

緩存一致性問題其實就是可見性問題，處理器優(yōu)化可能會造成原子性問題，指令重排序會造成有序性問題，你看是不是都聯(lián)系上了。

出了問題總是要解決的，那有什么辦法呢？首先想到簡單粗暴的辦法，干掉緩存讓 CPU 直接與主內(nèi)存交互就解決了可見性問題，禁止處理器優(yōu)化和指令重排序就解決了原子性和有序性問題，但這樣一夜回到解放前了，顯然不可取。

所以技術(shù)前輩們想到了在物理機器上定義出一套內(nèi)存模型， 規(guī)范內(nèi)存的讀寫操作。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)化和使用內(nèi)存屏障。

3. Java 內(nèi)存模型

同一套內(nèi)存模型規(guī)范，不同語言在實現(xiàn)上可能會有些差別。接下來著重講一下 Java 內(nèi)存模型實現(xiàn)原理。

3.1. Java 運行時內(nèi)存區(qū)域與硬件內(nèi)存的關(guān)系

了解過 JVM 的同學(xué)都知道，JVM 運行時內(nèi)存區(qū)域是分片的，分為棧、堆等，其實這些都是 JVM 定義的邏輯概念。在傳統(tǒng)的硬件內(nèi)存架構(gòu)中是沒有棧和堆這種概念。

從圖中可以看出棧和堆既存在于高速緩存中又存在于主內(nèi)存中，所以兩者并沒有很直接的關(guān)系。

3.2. Java 線程與主內(nèi)存的關(guān)系

Java 內(nèi)存模型是一種規(guī)范，定義了很多東西：

• 所有的變量都存儲在主內(nèi)存（Main Memory）中。

• 每個線程都有一個私有的本地內(nèi)存（Local Memory），本地內(nèi)存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的拷貝副本。

• 線程對變量的所有操作都必須在本地內(nèi)存中進行，而不能直接讀寫主內(nèi)存。

• 不同的線程之間無法直接訪問對方本地內(nèi)存中的變量。

看文字太枯燥了，我又畫了一張圖：

3.3. 線程間通信

如果兩個線程都對一個共享變量進行操作，共享變量初始值為 1，每個線程都變量進行加 1，預(yù)期共享變量的值為 3。在 JMM 規(guī)范下會有一系列的操作。

為了更好的控制主內(nèi)存和本地內(nèi)存的交互，Java 內(nèi)存模型定義了八種操作來實現(xiàn)：

• lock：鎖定。作用于主內(nèi)存的變量，把一個變量標(biāo)識為一條線程獨占狀態(tài)。

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

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

• 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。

• use：使用。作用于工作內(nèi)存的變量，把工作內(nèi)存中的一個變量值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機遇到一個需要使用變量的值的字節(jié)碼指令時將會執(zhí)行這個操作。

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

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

• write：寫入。作用于主內(nèi)存的變量，它把store操作從工作內(nèi)存中一個變量的值傳送到主內(nèi)存的變量中。

注意：工作內(nèi)存也就是本地內(nèi)存的意思。

4. 有態(tài)度的總結(jié)

由于CPU 和主內(nèi)存間存在數(shù)量級的速率差，想到了引入了多級高速緩存的傳統(tǒng)硬件內(nèi)存架構(gòu)來解決，多級高速緩存作為 CPU 和主內(nèi)間的緩沖提升了整體性能。解決了速率差的問題，卻又帶來了緩存一致性問題。

數(shù)據(jù)同時存在于高速緩存和主內(nèi)存中，如果不加以規(guī)范勢必造成災(zāi)難，因此在傳統(tǒng)機器上又抽象出了內(nèi)存模型。

Java 語言在遵循內(nèi)存模型的基礎(chǔ)上推出了 JMM 規(guī)范，目的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。

為了更精準(zhǔn)控制工作內(nèi)存和主內(nèi)存間的交互，JMM 還定義了八種操作：lock, unlock, read, load,use,assign, store, write。

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