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Java內(nèi)存模型的深入講解

更新時(shí)間：2021年07月06日 09:03:28 作者：surzia

這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于Java內(nèi)存模型的相關(guān)資料,我們常說的JVM內(nèi)存模式指的是JVM的內(nèi)存分區(qū),而Java內(nèi)存模式是一種虛擬機(jī)規(guī)范,需要的朋友可以參考下

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(gè)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(shí)，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(gè)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(gè)線程可能會傳遞變量副本給另一個(gè)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(gè)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(shí)，它也可以訪問該對象的成員變量。如果兩個(gè)線程同時(shí)在同一個(gè)對象上調(diào)用一個(gè)方法，則它們都將有權(quán)訪問該對象的成員變量，但是每個(gè)線程將擁有自己的局部變量副本。

兩個(gè)線程有一組局部變量，指向堆上的共享對象。這兩個(gè)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(gè)線程的線程棧中（在每個(gè)線程上）。但是，兩個(gè)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(gè)實(shí)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(jì)算機(jī)一般是多核CPU，一般不止一個(gè)CPU，因此多個(gè)線程是可能在物理意義上并發(fā)運(yùn)行的。這意味著，如果Java應(yīng)用程序是多線程的，則每個(gè)CPU可能在Java應(yīng)用程序中同時(shí)（并發(fā)）運(yùn)行一個(gè)線程。

每個(gè)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?yàn)镃PU可以比訪問主存儲器更快地訪問這些寄存器。

每個(gè)CPU可能還具有一個(gè)CPU高速緩存。實(shí)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(gè)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(jì)算機(jī)還包含一個(gè)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(shí)，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(shí)，它將把值從其內(nèi)部寄存器刷新到高速緩存，然后在某個(gè)時(shí)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(shí)，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(gè)或多個(gè)高速緩存行讀入高速緩存存儲器，并且可以將一個(gè)或多個(gè)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(shí)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(jì)算機(jī)的各種不同存儲區(qū)域中時(shí)，可能會出現(xiàn)某些問題。兩個(gè)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(shí)的競爭條件。

對象的可見性

如果兩個(gè)或多個(gè)線程共享一個(gè)對象，而沒有正確使用volatile關(guān)鍵字，則一個(gè)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(gè)線程都可以擁有自己的共享庫副本，每個(gè)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(yùn)行的一個(gè)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(yùn)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(yùn)行的一個(gè)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(yùn)行的其他線程看不到此更改，因?yàn)樯形磳ount更新寫回主內(nèi)存。