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Java内存模型(一) 初识Java内存模型

JAVA 缓存对象线程变量 CPU

2023-03-02 11:48:09 时间

**Java内存模型(一) 初识Java内存模型**

声明：本文由[并发编程网][Link 1]中的一篇文章[http://ifeve.com/java-memory-model-6/][http_ifeve.com_java-memory-model-6]整理所得，修改部分语义错误，并且删除部分繁琐内容，感谢该网站和相关作者、译者。

**1.前言**

Java内存模型规范了Java虚拟机与计算机内存是如何协同工作的。Java虚拟机是一个完整的计算机的一个模型，因此这个模型自然也包含一个内存模型——又称为Java内存模型。如果你想设计表现良好的并发程序，理解Java内存模型是非常重要的。Java内存模型规定了如何和何时可以看到由其他线程修改过后的共享变量的值，以及在必须时如何同步地访问共享变量。原始的Java内存模型存在一些不足，因此Java内存模型在Java1.5时被重新修订。这个版本的Java内存模型在Java8中仍在使用。

**2.Java内存模型内部原理**

2.1 Java内存模型把Java虚拟机内部划分为线程栈和堆。这张图演示了Java内存模型的逻辑视图。

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下面分析：

每一个运行在Java虚拟机里的线程都拥有自己的线程栈。这个线程栈包含了这个线程调用的方法当前执行点相关的信息。一个线程仅能访问自己的线程栈。一个线程创建的本地变量对其它线程不可见，仅自己可见。即使两个线程执行同样的代码，这两个线程任然在在自己的线程栈中的代码来创建本地变量。因此，每个线程拥有每个本地变量的独有版本。所有原始类型的本地变量都存放在线程栈上，因此对其它线程不可见。

一个线程可能向另一个线程传递一个原始类型变量的拷贝，但是它不能共享这个原始类型变量自身。堆上包含在Java程序中创建的所有对象，无论是哪一个对象创建的。这包括原始类型的对象版本。如果一个对象被创建然后赋值给一个局部变量，或者用来作为另一个对象的成员变量，这个对象任然是存放在堆上，下面这张图演示了：

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2.2 不同变量的存放位置

一个本地变量可能是原始类型，在这种情况下，它总是“呆在”线程栈上  
一个本地变量也可能是指向一个对象的一个引用。在这种情况下，引用（这个本地变量）存放在线程栈上，但是对象本身存放在堆上。  
一个对象可能包含方法，这些方法可能包含本地变量。这些本地变量任然存放在线程栈上，即使这些方法所属的对象存放在堆上。  
一个对象的成员变量随着这个对象自身存放在堆上。不管这个成员变量是原始类型还是引用类型。  
静态成员变量跟随着类定义一起也存放在堆上。

存放在堆上的对象可以被所有持有对这个对象引用的线程访问。当一个线程可以访问一个对象时，它也可以访问这个对象的成员变量。如果两个线程同时调用同一个对象上的同一个方法，它们将会都访问这个对象的成员变量

**3.硬件内存架构**

现代硬件内存模型与Java内存模型有一些不同。理解内存模型架构以及Java内存模型如何与它协同工作也是非常重要的。这部分描述了通用的硬件内存架构，下面的部分将会描述Java内存是如何与它“联手”工作的。下面是现代计算机硬件架构的简单图示：

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3.1 组成部分

结合上图，一个现代计算机通常由两个或者多个CPU。其中一些CPU还有多核。从这一点可以看出，在一个有两个或者多个CPU的现代计算机上同时运行多个线程是可能的。每个CPU在某一时刻运行一个线程是没有问题的。这意味着，如果你的Java程序是多线程的，在你的Java程序中每个CPU上一个线程可能同时（并行）执行。

每个CPU都包含一系列的寄存器，它们是CPU内内存的基础。CPU在寄存器上执行操作的速度远大于在主存上执行的速度。这是因为CPU访问寄存器的速度远大于主存。

每个CPU可能还有一个CPU缓存层。实际上，绝大多数的现代CPU都有一定大小的缓存层。CPU访问缓存层的速度快于访问主存的速度，但通常比访问内部寄存器的速度还要慢一点。一些CPU还有多层缓存，但这些对理解Java内存模型如何和内存交互不是那么重要。只要知道CPU中可以有一个缓存层就可以了。

一个计算机还包含一个主存。所有的CPU都可以访问主存。主存通常比CPU中的缓存大得多。

3.2 各存储器间关系

通常情况下，当一个CPU需要读取主存时，它会将主存的部分读到CPU缓存中。它甚至可能将缓存中的部分内容读到它的内部寄存器中，然后在寄存器中执行操作。当CPU需要将结果写回到主存中去时，它会将内部寄存器的值刷新到缓存中，然后在某个时间点将值刷新回主存。

当CPU需要在缓存层存放一些东西的时候，存放在缓存中的内容通常会被刷新回主存。CPU缓存可以在某一时刻将数据局部写到它的内存中，和在某一时刻局部刷新它的内存。它不会再某一时刻读/写整个缓存。

**4.Java内存模型和硬件内存架构之间的桥接**

4.1 图示

上面已经提到，Java内存模型与硬件内存架构之间存在差异。硬件内存架构没有区分线程栈和堆。对于硬件，所有的线程栈和堆都分布在主内中。部分线程栈和堆可能有时候会出现在CPU缓存中和CPU内部的寄存器中。如下图所示：

![Center 3][]

4.2 对象和变量放在不同内存区域导致的问题

当对象和变量被存放在计算机中各种不同的内存区域中时，就可能会出现一些具体的问题。主要包括如下两个方面：  
\-线程对共享变量修改的可见性  
\-当读，写和检查共享变量时出现race conditions(竞争条件，也就是前文说的线程安全)  
下面我们专门来解释以下这两个问题。

4.2.1 共享对象可见性

如果两个或者更多的线程在没有正确的使用volatile声明或者同步的情况下共享一个对象，一个线程更新这个共享对象可能对其它线程来说是不接见的。

想象一下，共享对象被初始化在主存中。跑在CPU上的一个线程将这个共享对象读到CPU缓存中。然后修改了这个对象。只要CPU缓存没有被刷新会主存，对象修改后的版本对跑在其它CPU上的线程都是不可见的。这种方式可能导致每个线程拥有这个共享对象的私有拷贝，每个拷贝停留在不同的CPU缓存中。

下图示意了这种情形。跑在左边CPU的线程拷贝这个共享对象到它的CPU缓存中，然后将count变量的值修改为2。这个修改对跑在右边CPU上的其它线程是不可见的，因为修改后的count的值还没有被刷新回主存中去。

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解决这个问题你可以使用Java中的volatile关键字。volatile关键字可以保证直接从主存中读取一个变量，如果这个变量被修改后，总是会被写回到主存中去。

4.2.2 race conditions

如果两个或者更多的线程共享一个对象，多个线程在这个共享对象上更新变量，就有可能发生raceconditions。想象一下，如果线程A读一个共享对象的变量count到它的CPU缓存中。再想象一下，线程B也做了同样的事情，但是往一个不同的CPU缓存中。现在线程A将count加1，线程B也做了同样的事情。现在count已经被增在了两个，每个CPU缓存中一次。

如果这些增加操作被顺序的执行，变量count应该被增加两次，然后原值+2被写回到主存中去。然而，两次增加都是在没有适当的同步下并发执行的。无论是线程A还是线程B将count修改后的版本写回到主存中取，修改后的值仅会被原值大1，尽管增加了两次。如下图：

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而这个问题，上一篇文章也提到过[http://blog.csdn.net/Jintao\_Ma/article/details/53197502][http_blog.csdn.net_Jintao_Ma_article_details_53197502]，解决它的语法有好几种，后面会一一介绍。另外注意到当我们使用其中一种办法，比如同步，来解决线程安全问题的时候，并没有使用volatile关键字，那么当我们修改值以后还会被立即刷新到主存中么？其实synchronized关键字保证了，当线程退出同步代码块时，所有被更新的变量都会被刷新回主存中去，这就相当于起到了volatile的效果。

**5 总结**

这是Java内存模型的基本认识，后面会以系列的形式和学习和总结java内存模型

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[http_blog.csdn.net_Jintao_Ma_article_details_53197502]: http://blog.csdn.net/Jintao_Ma/article/details/53197502

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