Java 內存模型的抽象

在 java 中，所有實例域、靜態域和數組元素存儲在堆內存中，堆內存在線程之間共享(本文使用“共享變量”這個術語代指實例域，靜態域和數組元素)。局部變量(Local variables)，方法定義參數(java 語言規范稱之為 formal method parameters)和異常處理器參數(exception handler parameters)不會在線程之間共享，它們不會有內存可見性問題，也不受內存模型的影響。

這里要與java的虛擬機(JVM)進行區分

JVM：是Java Virtual Machine(Java虛擬機)的縮寫，JVM是一種用于計算設備的規范，它是一個虛構出來的計算機，是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的

JMM：是一種抽象的概念，并不是真實存在的，描述了一組規則或規范，通過這個規范定義了程序在各個變量(包括實例字段，靜態字段和構成數組對象的元素)的訪問方式，試圖屏蔽各種硬件和操作系統的內存訪問差異。 (用在哪里：可以在多線程并發時候，解決多線程之前的通信問題和解決線程操作的原子性，可見性，有序性。)

本文所講的JAVA內存模型就是 JMM，JMM 決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見。從抽象的角度來看，JMM 定義了線程和主內存之間的抽象關系：線程之間的共享變量存儲在主內存(main memory)中，每個線程都有一個私有的本地內存(local memory)，本地內存中存儲了該線程以讀 / 寫共享變量的副本。本地內存是 JMM 的一個抽象概念，并不真實存在。它涵蓋了緩存，寫緩沖區，寄存器以及其他的硬件和編譯器優化。Java 內存模型的抽象示意圖如下

從上圖來看，線程A與線程B之間如要通信的話，必須要經歷下面2個步驟：

1. 首先，線程A把本地內存A中更新過的共享變量刷新到主內存中去。

2. 然后，線程B到主內存中去讀取線程A之前已更新過的共享變量。

下面通過示意圖來說明這兩個步驟：

如上圖所示，本地內存A和B有主內存中共享變量x的副本。假設初始時，這三個內存中的x值都為0。線程A在執行時，把更新后的x值(假設值為1)臨時存放在自己的本地內存A中。當線程A和線程B需要通信時，線程A首先會把自己本地內存中修改后的x值刷新到主內存中，此時主內存中的x值變為了1。隨后，線程B到主內存中去讀取線程A更新后的x值，此時線程B的本地內存的x值也變為了1。

從整體來看，這兩個步驟實質上是線程A在向線程B發送消息，而且這個通信過程必須要經過主內存。JMM通過控制主內存與每個線程的本地內存之間的交互，來為java程序員提供內存可見性保證。

上面也說到了，Java內存模型只是一個抽象概念，那么它在Java中具體是怎么工作的呢？為了更好的理解上Java內存模型工作方式，下面就JVM對Java內存模型的實現、硬件內存模型及它們之間的橋接做詳細介紹。

JVM對Java內存模型的實現

在JVM內部，Java內存模型把內存分成了兩部分：線程棧區和堆區，下圖展示了Java內存模型在JVM中的邏輯視圖：

JVM中運行的每個線程都擁有自己的線程棧，線程棧包含了當前線程執行的方法調用相關信息，我們也把它稱作調用棧。隨著代碼的不斷執行，調用棧會不斷變化。

線程棧還包含了當前方法的所有本地變量信息。一個線程只能讀取自己的線程棧，也就是說，線程中的本地變量對其它線程是不可見的。即使兩個線程執行的是同一段代碼，它們也會各自在自己的線程棧中創建本地變量，因此，每個線程中的本地變量都會有自己的版本。

所有原始類型(boolean,byte,short,char,int,long,float,double)的本地變量都直接保存在線程棧當中，對于它們的值各個線程之間都是獨立的。對于原始類型的本地變量，一個線程可以傳遞一個副本給另一個線程，當它們之間是無法共享的。

堆區包含了Java應用創建的所有對象信息，不管對象是哪個線程創建的，其中的對象包括原始類型的封裝類(如Byte、Integer、Long等等)。不管對象是屬于一個成員變量還是方法中的本地變量，它都會被存儲在堆區。

下圖展示了調用棧和本地變量都存儲在棧區，對象都存儲在堆區：

一個本地變量如果是原始類型，那么它會被完全存儲到棧區。

一個本地變量也有可能是一個對象的引用，這種情況下，這個本地引用會被存儲到棧中，但是對象本身仍然存儲在堆區。

對于一個對象的成員方法，這些方法中包含本地變量，仍需要存儲在棧區，即使它們所屬的對象在堆區。

對于一個對象的成員變量，不管它是原始類型還是包裝類型，都會被存儲到堆區。

Static類型的變量以及類本身相關信息都會隨著類本身存儲在堆區。

堆中的對象可以被多線程共享。如果一個線程獲得一個對象的應用，它便可訪問這個對象的成員變量。如果兩個線程同時調用了同一個對象的同一個方法，那么這兩個線程便可同時訪問這個對象的成員變量，但是對于本地變量，每個線程都會拷貝一份到自己的線程棧中。

下圖展示了上面描述的過程:

硬件內存架構

不管是什么內存模型，最終還是運行在計算機硬件上的，所以我們有必要了解計算機硬件內存架構，下圖就簡單描述了當代計算機硬件內存架構：

現代計算機一般都有2個以上CPU，而且每個CPU還有可能包含多個核心。因此，如果我們的應用是多線程的話，這些線程可能會在各個CPU核心中并行運行。

在CPU內部有一組CPU寄存器，也就是CPU的儲存器。CPU操作寄存器的速度要比操作計算機主存快的多。在主存和CPU寄存器之間還存在一個CPU緩存，CPU操作CPU緩存的速度快于主存但慢于CPU寄存器。某些CPU可能有多個緩存層(一級緩存和二級緩存)。計算機的主存也稱作RAM，所有的CPU都能夠訪問主存，而且主存比上面提到的緩存和寄存器大很多。

當一個CPU需要訪問主存時，會先讀取一部分主存數據到CPU緩存，進而在讀取CPU緩存到寄存器。當CPU需要寫數據到主存時，同樣會先flush寄存器到CPU緩存，然后再在某些節點把緩存數據flush到主存。

Java內存模型和硬件架構之間的橋接

正如上面講到的，Java內存模型和硬件內存架構并不一致。硬件內存架構中并沒有區分棧和堆，從硬件上看，不管是棧還是堆，大部分數據都會存到主存中，當然一部分棧和堆的數據也有可能會存到CPU寄存器中，如下圖所示，Java內存模型和計算機硬件內存架構是一個交叉關系：

當對象和變量存儲到計算機的各個內存區域時，必然會面臨一些問題，其中最主要的兩個問題是：

1. 共享對象對各個線程的可見性

2. 共享對象的競爭現象

共享對象的可見性

當多個線程同時操作同一個共享對象時，如果沒有合理的使用volatile和synchronization關鍵字，一個線程對共享對象的更新有可能導致其它線程不可見。

想象一下我們的共享對象存儲在主存，一個CPU中的線程讀取主存數據到CPU緩存，然后對共享對象做了更改，但CPU緩存中的更改后的對象還沒有flush到主存，此時線程對共享對象的更改對其它CPU中的線程是不可見的。最終就是每個線程最終都會拷貝共享對象，而且拷貝的對象位于不同的CPU緩存中。

下圖展示了上面描述的過程。左邊CPU中運行的線程從主存中拷貝共享對象obj到它的CPU緩存，把對象obj的count變量改為2。但這個變更對運行在右邊CPU中的線程不可見，因為這個更改還沒有flush到主存中：

要解決共享對象可見性這個問題，我們可以使用java volatile關鍵字。 Java’s volatile keyword. volatile 關鍵字可以保證變量會直接從主存讀取，而對變量的更新也會直接寫到主存。volatile原理是基于CPU內存屏障指令實現的，后面會講到。

競爭現象

如果多個線程共享一個對象，如果它們同時修改這個共享對象，這就產生了競爭現象。

如下圖所示，線程A和線程B共享一個對象obj。假設線程A從主存讀取Obj.count變量到自己的CPU緩存，同時，線程B也讀取了Obj.count變量到它的CPU緩存，并且這兩個線程都對Obj.count做了加1操作。此時，Obj.count加1操作被執行了兩次，不過都在不同的CPU緩存中。

如果這兩個加1操作是串行執行的，那么Obj.count變量便會在原始值上加2，最終主存中的Obj.count的值會是3。然而下圖中兩個加1操作是并行的，不管是線程A還是線程B先flush計算結果到主存，最終主存中的Obj.count只會增加1次變成2，盡管一共有兩次加1操作。

要解決上面的問題我們可以使用java synchronized代碼塊。synchronized代碼塊可以保證同一個時刻只能有一個線程進入代碼競爭區，synchronized代碼塊也能保證代碼塊中所有變量都將會從主存中讀，當線程退出代碼塊時，對所有變量的更新將會flush到主存，不管這些變量是不是volatile類型的。

支撐Java內存模型的基礎原理

指令重排序

在執行程序時，為了提高性能，編譯器和處理器會對指令做重排序。但是，JMM確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺之上，通過插入特定類型的Memory Barrier來禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序，為上層提供一致的內存可見性保證。

1.編譯器優化重排序：編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執行順序。

2.指令級并行的重排序：如果不存l在數據依賴性，處理器可以改變語句對應機器指令的執行順序。

3.內存系統的重排序：處理器使用緩存和讀寫緩沖區，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執行。

數據依賴性

如果兩個操作訪問同一個變量，其中一個為寫操作，此時這兩個操作之間存在數據依賴性。

編譯器和處理器不會改變存在數據依賴性關系的兩個操作的執行順序，即不會重排序。

as-if-serial

不管怎么重排序，單線程下的執行結果不能被改變，編譯器、runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語義。

內存屏障(Memory Barrier )

上面講到了，通過內存屏障可以禁止特定類型處理器的重排序，從而讓程序按我們預想的流程去執行。內存屏障，又稱內存柵欄，是一個CPU指令，基本上它是一條這樣的指令：

1.保證特定操作的執行順序。

2.影響某些數據(或則是某條指令的執行結果)的內存可見性。

編譯器和CPU能夠重排序指令，保證最終相同的結果，嘗試優化性能。插入一條Memory Barrier會告訴編譯器和CPU：不管什么指令都不能和這條Memory Barrier指令重排序。

Memory Barrier所做的另外一件事是強制刷出各種CPU cache，如一個Write-Barrier(寫入屏障)將刷出所有在Barrier之前寫入 cache 的數據，因此，任何CPU上的線程都能讀取到這些數據的最新版本。

這和java有什么關系？上面java內存模型中講到的volatile是基于Memory Barrier實現的。

如果一個變量是volatile修飾的，JMM會在寫入這個字段之后插進一個Write-Barrier指令，并在讀這個字段之前插入一個Read-Barrier指令。這意味著，如果寫入一個volatile變量，就可以保證：

1.一個線程寫入變量a后，任何線程訪問該變量都會拿到最新值。

2.在寫入變量a之前的寫入操作，其更新的數據對于其他線程也是可見的。因為Memory Barrier會刷出cache中的所有先前的寫入。

happens-before

從jdk5開始，java使用新的JSR-133內存模型，基于happens-before的概念來闡述操作之間的內存可見性。

在JMM中，如果一個操作的執行結果需要對另一個操作可見，那么這兩個操作之間必須要存在happens-before關系，這個的兩個操作既可以在同一個線程，也可以在不同的兩個線程中。

與程序員密切相關的happens-before規則如下：

1.程序順序規則：一個線程中的每個操作，happens-before于該線程中任意的后續操作。

2.監視器鎖規則：對一個鎖的解鎖操作，happens-before于隨后對這個鎖的加鎖操作。

3.volatile域規則：對一個volatile域的寫操作，happens-before于任意線程后續對這個volatile域的讀。

4.傳遞性規則：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么A happens-before C。

注意：兩個操作之間具有happens-before關系，并不意味前一個操作必須要在后一個操作之前執行！僅僅要求前一個操作的執行結果，對于后一個操作是可見的，且前一個操作按順序排在后一個操作之前。

總結

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