Java內(nèi)存模型知識詳解

更新時間：2020年07月31日 15:17:30 作者：殘雪余香

這篇文章主要介紹了Java內(nèi)存模型知識詳解，文中通過對內(nèi)存訪問時的交互關系圖解介紹的十分詳細，對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學習學習吧

1. 概述

　　多任務和高并發(fā)是衡量一臺計算機處理器的能力重要指標之一。一般衡量一個服務器性能的高低好壞，使用每秒事務處理數(shù)（Transactions Per Second，TPS）這個指標比較能說明問題，它代表著一秒內(nèi)服務器平均能響應的請求數(shù)，而TPS值與程序的并發(fā)能力有著非常密切的關系。在討論Java內(nèi)存模型和線程之前，先簡單介紹一下硬件的效率與一致性。

2.硬件的效率與一致性

　　由于計算機的存儲設備與處理器的運算能力之間有幾個數(shù)量級的差距，所以現(xiàn)代計算機系統(tǒng)都不得不加入一層讀寫速度盡可能接近處理器運算速度的高速緩存（cache）來作為內(nèi)存與處理器之間的緩沖：將運算需要使用到的數(shù)據(jù)復制到緩存中，讓運算能快速進行，當運算結(jié)束后再從緩存同步回內(nèi)存之中沒這樣處理器就無需等待緩慢的內(nèi)存讀寫了。
　　基于高速緩存的存儲交互很好地解決了處理器與內(nèi)存的速度矛盾，但是引入了一個新的問題：緩存一致性（Cache Coherence）。在多處理器系統(tǒng)中，每個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：多個處理器運算任務都涉及同一塊主存，需要一種協(xié)議可以保障數(shù)據(jù)的一致性，這類協(xié)議有MSI、MESI、MOSI及Dragon Protocol等。Java虛擬機內(nèi)存模型中定義的內(nèi)存訪問操作與硬件的緩存訪問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)部的運算單元能竟可能被充分利用，處理器可能會對輸入代碼進行亂起執(zhí)行（Out-Of-Order Execution）優(yōu)化，處理器會在計算之后將對亂序執(zhí)行的代碼進行結(jié)果重組，保證結(jié)果準確性。與處理器的亂序執(zhí)行優(yōu)化類似，Java虛擬機的即時編譯器中也有類似的指令重排序（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，這個模型必須定義得足夠嚴謹，才能讓Java的并發(fā)操作不會產(chǎn)生歧義；但是，也必須得足夠?qū)捤?，使得虛擬機的實現(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）來獲取更好的執(zhí)行速度。經(jīng)過長時間的驗證和修補，在JDK1.5發(fā)布后，Java內(nèi)存模型就已經(jīng)成熟和完善起來了。

3.1 主內(nèi)存與工作內(nèi)存

　　Java內(nèi)存模型的主要目標是定義程序中各個變量的訪問規(guī)則，即在虛擬機中將變量存儲到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣底層細節(jié)。此處的變量與Java編程時所說的變量不一樣，指包括了實例字段、靜態(tài)字段和構成數(shù)組對象的元素，但是不包括局部變量與方法參數(shù)，后者是線程私有的，不會被共享。

　　Java內(nèi)存模型中規(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（可以與前面將的處理器的高速緩存類比），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，線程對變量的所有操作（讀取、賦值）都必須在工作內(nèi)存中進行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。不同線程之間無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞均需要在主內(nèi)存來完成，線程、主內(nèi)存和工作內(nèi)存的交互關系如下圖所示，和上圖很類似。

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

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

lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，把一個變量標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?。鹤饔糜谥鲀?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。

　　如果要把一個變量從主內(nèi)存中復制到工作內(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，如對主內(nèi)存中的變量a、b進行訪問時，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，必須滿足如下規(guī)則：

不允許read和load、store和write操作之一單獨出現(xiàn)
不允許一個線程丟棄它的最近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。
不允許一個線程無原因地（沒有發(fā)生過任何assign操作）把數(shù)據(jù)從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中。
一個新的變量只能在主內(nèi)存中誕生，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個未被初始化（load或assign）的變量。即就是對一個變量實施use和store操作之前，必須先執(zhí)行過了assign和load操作。
一個變量在同一時刻只允許一條線程對其進行l(wèi)ock操作，lock和unlock必須成對出現(xiàn)
如果對一個變量執(zhí)行l(wèi)ock操作，將會清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個變量前需要重新執(zhí)行l(wèi)oad或assign操作初始化變量的值
如果一個變量事先沒有被lock操作鎖定，則不允許對它執(zhí)行unlock操作；也不允許去unlock一個被其他線程鎖定的變量。
對一個變量執(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)行程序時為了提高性能，編譯器和處理器經(jīng)常會對指令進行重排序。重排序分成三種類型：

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。

從Java源代碼到最終實際執(zhí)行的指令序列，會經(jīng)過下面三種重排序：