Java內(nèi)存模型的深入講解
Java內(nèi)存模型展示了Java虛擬機(jī)是如何與計算機(jī)內(nèi)存交互的,解決多線程讀寫共享內(nèi)存時資源訪問的問題。
內(nèi)存模型
Java虛擬機(jī)中的內(nèi)存模型將線程棧與堆劃分開,下圖描述了Java內(nèi)存模型的邏輯圖。
每個線程都要自己的線程棧,棧中存儲著線程執(zhí)行到當(dāng)前位置所調(diào)用的方法信息,線程執(zhí)行代碼時,線程棧會不斷執(zhí)行入棧和出棧操作。
線程棧中會存儲所有被調(diào)用的方法中定義的變量,并且自己訪問自己棧中的變量,別的線程不可見。即使兩個線程執(zhí)行相同的代碼,也會在線程自己的棧中重復(fù)創(chuàng)建變量。一個線程可能會傳遞變量副本給另一個線程,但不能共享變量本身。
在棧中變量存儲形式也有所不同。屬于基本變量類型(int,byte,long,boolean,char,double,float,short)的變量,會直接將變量值存儲在棧中,而其余類型的變量的值被存儲在堆中,線程棧中只保留指向堆中變量地址的指針。
堆中則存儲Java程序中創(chuàng)建的所有對象,不管是什么線程創(chuàng)建的。創(chuàng)建對象并將其分配給局部變量,或者將其創(chuàng)建為另一個對象的成員變量都沒有影響,該對象仍存儲在堆中。
值得注意的是,Java中的靜態(tài)類變量也會隨著類初始化而存儲在堆中。
有指向?qū)ο笾羔樀乃芯€程都可以訪問堆上的對象。當(dāng)線程可以訪問對象時,它也可以訪問該對象的成員變量。如果兩個線程同時在同一個對象上調(diào)用一個方法,則它們都將有權(quán)訪問該對象的成員變量,但是每個線程將擁有自己的局部變量副本。
兩個線程有一組局部變量,指向堆上的共享對象。這兩個線程分別具有對同一對象的不同指針。它們的指針也是局部變量,因此存儲在每個線程的線程棧中(在每個線程上)。但是,兩個不同的指針指向堆上的同一對象。
下面的代碼塊就是上圖的一個實際例子。
public class MyRunnable implements Runnable() { public void run() { methodOne(); } public void methodOne() { int localVariable1 = 45; MySharedObject localVariable2 = MySharedObject.sharedInstance; //... methodTwo(); } public void methodTwo() { Integer localVariable1 = new Integer(99); //... } }
public class MySharedObject { //static variable pointing to instance of MySharedObject public static final MySharedObject sharedInstance = new MySharedObject(); //member variables pointing to two objects on the heap public Integer object2 = new Integer(22); public Integer object4 = new Integer(44); public long member1 = 12345; public long member2 = 67890; }
硬件架構(gòu)
現(xiàn)代硬件的內(nèi)存架構(gòu)與Java內(nèi)存模型還是有些不同的,了解硬件架構(gòu)對理解Java內(nèi)存模型也有幫助。簡單的硬件架構(gòu)圖如下:
現(xiàn)代計算機(jī)一般是多核CPU,一般不止一個CPU,因此多個線程是可能在物理意義上并發(fā)運行的。這意味著,如果Java應(yīng)用程序是多線程的,則每個CPU可能在Java應(yīng)用程序中同時(并發(fā))運行一個線程。
每個CPU包含一組寄存器,這些寄存器本質(zhì)上是CPU內(nèi)存儲器。CPU在這些寄存器上執(zhí)行操作的速度比對主存儲器中的變量執(zhí)行操作的速度快得多,這是因為CPU可以比訪問主存儲器更快地訪問這些寄存器。
每個CPU可能還具有一個CPU高速緩存。實際上,大多數(shù)現(xiàn)代CPU都有一定大小的高速緩存。CPU可以比其主存儲器更快地訪問其高速緩存,但是通常不如其訪問其內(nèi)部寄存器的速度快。因此,CPU高速緩存存儲器位于內(nèi)部寄存器和主存儲器之間的速度之間。某些CPU可能具有多個高速緩存層(L1和L2 Cache)。了解Java內(nèi)存模型如何與內(nèi)存交互并不是很重要,重要的是要知道CPU可以具有某種高速緩存層。
計算機(jī)還包含一個主存儲區(qū)(RAM)。所有CPU都可以訪問主存儲器。主存儲區(qū)通常比CPU的高速緩存大得多。
通常,當(dāng)CPU需要訪問主內(nèi)存時,它將部分主內(nèi)存讀入其CPU緩存中。它甚至可以將緩存的一部分讀入其內(nèi)部寄存器,然后對其執(zhí)行操作。當(dāng)CPU需要將結(jié)果寫回主存儲器時,它將把值從其內(nèi)部寄存器刷新到高速緩存,然后在某個時候?qū)⒅邓⑿禄刂鞔鎯ζ鳌?/p>
當(dāng)CPU需要將其他內(nèi)容存儲在高速緩存中時,通常會將高速緩存中存儲的值刷新回主存儲器。CPU高速緩存可以一次將數(shù)據(jù)寫入其部分內(nèi)存,并一次刷新其部分內(nèi)存。它不必每次更新都讀取/寫入完整的緩存。通常,緩存在稱為“緩存行”的較小存儲塊中更新,可以將一個或多個高速緩存行讀入高速緩存存儲器,并且可以將一個或多個高速緩存行再次刷新回主存儲器。
Java內(nèi)存模型與硬件關(guān)聯(lián)
如前所述,Java內(nèi)存模型和硬件內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)是不同的,硬件內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)不能區(qū)分線程堆棧和堆。在硬件上,線程堆棧和堆都位于主內(nèi)存中。線程堆棧和堆的某些部分有時可能會出現(xiàn)在CPU緩存和內(nèi)部CPU寄存器中。下圖對此進(jìn)行了說明:
當(dāng)對象和變量可以存儲在計算機(jī)的各種不同存儲區(qū)域中時,可能會出現(xiàn)某些問題。 兩個主要問題是:
- 線程更新(寫入)到共享變量的可見性。
- 讀取,檢查和寫入共享變量時的競爭條件。
對象的可見性
如果兩個或多個線程共享一個對象,而沒有正確使用volatile關(guān)鍵字,則一個線程對共享對象進(jìn)行的更新可能對其他線程不可見。
每個線程都可以擁有自己的共享庫副本,每個副本位于不同的CPU緩存中。想象一下,共享對象最初存儲在主存儲器中。然后,在CPU上運行的一個線程將共享對象讀入其CPU緩存并進(jìn)行修改。只要未將CPU緩存刷新回主存儲器,在其他CPU上運行的線程就看不到共享對象的更改版本。
下圖說明了這種情況,在左CPU上運行的一個線程將共享對象復(fù)制到其CPU緩存中,并將其count變量更改為2。在右CPU上運行的其他線程看不到此更改,因為尚未將count更新寫回主內(nèi)存。
當(dāng)然這個問題可以使用volatile關(guān)鍵字來解決。
競爭條件
如果兩個或多個線程共享一個對象,并且一個以上的線程更新該共享對象中的變量,則可能會發(fā)生競爭條件。
假如線程A將共享對象的變量count讀入其CPU緩存中,而線程B執(zhí)行同樣操作,但是它位于不同的CPU緩存中?,F(xiàn)在,線程A加一個要計數(shù),線程B也執(zhí)行相同的操作?,F(xiàn)在count已增加兩次,在每個CPU高速緩存中增加一次。
如果這些增加是順序執(zhí)行的,則變量計數(shù)將增加兩次,并將原始值+2寫回到主存儲器中。
但是,這兩個增量是在沒有同步的情況下并發(fā)執(zhí)行的。不管線程A和B中哪個線程將其更新后的版本寫回主內(nèi)存,盡管有兩個增量,但更新后的值僅比原始值高1。
該圖說明了如上所述的競爭條件問題的發(fā)生:
這個問題可以使用synchronized關(guān)鍵字來解決。
總結(jié)
到此這篇關(guān)于Java內(nèi)存模型的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java內(nèi)存模型內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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