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Java内存模型划分记忆篇

2021/6/26 15:48:06 人评论

文章目录Java内存模型划分主内存与工作内存内存间交互操作对于volatile型变量的特殊规则对于long和double型变量的特殊规则原子性、可见性与有序性先行发生原则以上搬运至深入理解java虚拟机,方便自己记忆Java内存模型划分 主内存与工作内存 Java内存模型规定了所有…

文章目录

  • Java内存模型划分
    • 主内存与工作内存
    • 内存间交互操作
    • 对于volatile型变量的特殊规则
    • 对于long和double型变量的特殊规则
    • 原子性、可见性与有序性
    • 先行发生原则
    • 以上搬运至深入理解java虚拟机,方便自己记忆

Java内存模型划分

主内存与工作内存

  • Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中(此处的主内存与 介绍物理硬件时的主内存名字一样,两者也可以互相类比,但此处仅是虚拟机内存的一部 分)。每条线程还有自己的工作内存(Working Memory,可与前面讲的处理器高速缓存类 比),线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝[1],线程对变量的 所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量[2]。 不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主 内存来完成,线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图所示。

  • 在这里插入图片描述

  • 这里所讲的主内存、工作内存与Java内存区域中的Java堆、栈、方法区 等并不是同一个层次的内存划分,这两者基本上是没有关系的,如果两者一定要勉强对应起 来,那从变量、主内存、工作内存的定义来看,主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据 部分[3],而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低层次上说,主内存就直接对应 于物理硬件的内存,而为了获取更好的运行速度,虚拟机(甚至是硬件系统本身的优化措 施)可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中,因为程序运行时主要访问读写的是 工作内存。

[1]有不少读者会对这段描述中的“拷贝副本”提出疑问,如“假设线程中访问一个10MB的对 象,也会把这10MB的内存复制一份拷贝出来吗?”,事实上并不会如此,这个对象的引用、 对象中某个在线程访问到的字段是有可能存在拷贝的,但不会有虚拟机实现成把整个对象拷 贝A一次。

[2]根据Java虚拟机规范的规定,volatile变量依然有工作内存的拷贝,但是由于它特殊的操作 顺序性规定(后文会讲到),所以看起来如同直接在主内存中读写访问一般,因此这里的描 述对于volatile也并不存在例外。

[3]除了实例数据,Java堆还保存了对象的其他信息,对于HotSpot虚拟机来讲,有Mark Word(存储对象哈希码、GC标志、GC年龄、同步锁等信息)、Klass Point(指向存储类型 元数据的指针)及一些用于字节对齐补白的填充数据(如果实例数据刚好满足8字节对齐的 话,则可以不存在补白)。


内存间交互操作

  1. 关于主内存与工作内存之间具体的交互协议,即一个变量如何从主内存拷贝到工作内 存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节,Java内存模型中定义了以下8种操作来 完成,虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的(对于double 和long类型的变量来说,load、store、read和write操作在某些平台上允许有例!)
  • lock(锁定):作用于主内存的变量,它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
  • unlock(解锁):作用于主内存的变量,它把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放 后的变量才可以被其他线程锁定。
  • read(读取):作用于主内存的变量,它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内 存中,以便随后的load动作使用。
  • load(载入):作用于工作内存的变量,它把read操作从主内存中得到的变量值放入工 作内存的变量副本中。
  • use(使用):作用于工作内存的变量,它把工作内存中一个变量的值传递给执行引 擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
  • assign(赋值):作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内 存的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
  • store(存储):作用于工作内存的变量,它把工作内存中一个变量的值传送到主内存 中,以便随后的write操作使用。
  • write(写入):作用于主内存的变量,它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入 主内存的变量中。
  1. 如果要把一个变量从主内存复制到工作内存,那就要顺序地执行read和load操作,如果 要把变量从工作内存同步回主内存,就要顺序地执行store和write操作。注意,Java内存模型 只要求上述两个操作必须按顺序执行,而没有保证是连续执行。也就是说,read与load之 间、store与write之间是可插入其他指令的,如对主内存中的变量a、b进行访问时,一种可能 出现顺序是read a、read b、load b、load a。除此之外,Java内存模型还规定了在执行上述8种 基本操作时必须满足如下规则:
  • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现,即不允许一个变量从主内存读取了 但工作内存不接受,或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
  • 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作,即变量在工作内存中改变了之后必须把该 变化同步回主内存。
  • 不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从线程的工作内存同步 回主内存中。
  • 一个新的变量只能在主内存中“诞生”,不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化 (load或assign)的变量,换句话说,就是对一个变量实施use、store操作之前,必须先执行 过了assign和load操作。
  • 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作,但lock操作可以被同一条线 程重复执行多次,多次执行lock后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。
  • 如果对一个变量执行lock操作,那将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这 个变量前,需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
  • 如果一个变量事先没有被lock操作锁定,那就不允许对它执行unlock操作,也不允许去 unlock一个被其他线程锁定住的变量。
  • 对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存中(执行store、write操 作)。
  1. 这8种内存访问操作以及上述规则限定,再加上稍后介绍的对volatile的一些特殊规定, 就已经完全确定了Java程序中哪些内存访问操作在并发下是安全的。由于这种定义相当严谨 但又十分烦琐,实践起来很麻烦,所以在第三节节中笔者将介绍这种定义的一个等效判断原 则——先行发生原则,用来确定一个访问在并发环境下是否安全。

对于volatile型变量的特殊规则

  1. 关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制
  2. 当一个变量定义为volatile之后,它将具备两种特性,第一是保证此变量对所有线程的可 见性,这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程来说是可以 立即得知的。而普通变量不能做到这一点,普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来 完成,例如,线程A修改一个普通变量的值,然后向主内存进行回写,另外一条线程B在线 程A回写完成了之后再从主内存进行读取操作,新变量值才会对线程B可见
  3. volatile变量只能保证可见性不能保证保证原子性
  4. 使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化,普通的变量仅仅会保证在该方法 的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果,而不能保证变量赋值操作的 顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点,这 也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”(Within-Thread As-If-Serial Semantics)。

对于long和double型变量的特殊规则

  1. Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这8个操作都具有 原子性,但是对于64位的数据类型(long和double),在模型中特别定义了一条相对宽松的 规定:允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进 行,即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这4个操作的 原子性,这点就是所谓的long和double的非原子性协定(Nonatomic Treatment ofdouble and long Variables)。
  2. 如果有多个线程共享一个并未声明为volatile的long或double类型的变量,并且同时对它 们进行读取和修改操作,那么某些线程可能会读取到一个既非原值,也不是其他线程修改值 的代表了“半个变量”的数值。
  3. 不过这种读取到“半个变量”的情况非常罕见(在目前商用Java虚拟机中不会出现),因 为Java内存模型虽然允许虚拟机不把long和double变量的读写实现成原子操作,但允许虚拟机 选择把这些操作实现为具有原子性的操作,而且还“强烈建议”虚拟机这样实现。在实际开发 中,目前各种平台下的商用虚拟机几乎都选择把64位数据的读写操作作为原子操作来对待, 因此我们在编写代码时一般不需要把用到的long和double变量专门声明为volatile。

原子性、可见性与有序性

  1. 原子性(Atomicity): 由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、 assign、use、store和write,我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的(例 外就是long和double的非原子性协定,读者只要知道这件事情就可以了,无须太过在意这些 几乎不会发生的例外情况)。

如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证(经常会遇到),
Java内存模型还提供了 lock和unlock操作来满足这种需求,
尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用,
但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作,
这 两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块——synchronized关键字,
因此在synchronized块 之间的操作也具备原子性。

  1. 可见性(Visibility): 可见性是指当一个线程修改了共享变量的值,其他线程能够立即 得知这个修改。上文在讲解volatile变量的时候我们已详细讨论过这一点。Java内存模型是通 过在变量修改后将新值同步回主内存,在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作 为传递媒介的方式来实现可见性的,无论是普通变量还是volatile变量都是如此,普通变量与 volatile变量的区别是,volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存,以及每次使用前 立即从主内存刷新。因此,可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性,而普通变量则 不能保证这一点。

除了volatile之外,Java还有两个关键字能实现可见性,即synchronized和final。同步块的 可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存中(执行store、 write操作)”这条规则获得的,而final关键字的可见性是指:被final修饰的字段在构造器中一 旦初始化完成,并且构造器没有把“this”的引用传递出去(this引用逃逸是一件很危险的事 情,其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象),那在其他线程中就能看 见final字段的值。如代码清单12-7所示,变量i与j都具备可见性,它们无须同步就能被其他 线程正确访问。

  1. 有序性(Ordering): Java内存模型的有序性在前面讲解volatile时也详细地讨论过 了,Java程序中天然的有序性可以总结为一句话:如果在本线程内观察,所有的操作都是有 序的;如果在一个线程中观察另一个线程,所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表 现为串行的语义”(Within-Thread As-If-Serial Semantics),后半句是指“指令重排序”现象 和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性,volatile 关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义,而synchronized则是由“一个变量在同一个时刻 只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的,这条规则决定了持有同一个锁的两个同 步块只能串行地进入。

先行发生原则

  1. 先行发生是Java内存模型中定义的两项操作 之间的偏序关系,如果说操作A先行发生于操作B,其实就是说在发生操作B之前,操作A产 生的影响能被操作B观察到,“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了 方法等
  2. 下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系,这些先行发生关系无须任何同步器 协助就已经存在,可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列,并且无法从 下列规则推导出来的话,它们就没有顺序性保障,虚拟机可以对它们随意地进行重排序。
  • 程序次序规则(Program Order Rule): 在一个线程内,按照程序代码顺序,书写在前面 的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说,应该是控制流顺序而不是程序代码顺序, 因为要考虑分支、循环等结构。

  • 管程锁定规则(Monitor Lock Rule): 一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock 操作。这里必须强调的是同一个锁,而“后面”是指时间上的先后顺序。

  • volatile变量规则(Volatile Variable Rule): 对一个volatile变量的写操作先行发生于后面 对这个变量的读操作,这里的“后面”同样是指时间上的先后顺序。

  • 线程启动规则(Thread Start Rule): Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每 一个动作。

  • 线程终止规则(Thread Termination Rule): 线程中的所有操作都先行发生于对此线程的
    终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测 到线程已经终止执行。

  • 线程中断规则(Thread Interruption Rule): 对线程interrupt()方法的调用先行发生于被 中断线程的代码检测到中断事件的发生,可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有 中断发生。

  • 对象终结规则(Finalizer Rule): 一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发 生于它的finalize()方法的开始。

  • 传递性(Transitivity): 如果操作A先行发生于操作B,操作B先行发生于操作C,那就 可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

  1. 结论: 时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太 大的关系,所以我们衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰,一切必须以先行发 生原则为准。

以上搬运至深入理解java虚拟机,方便自己记忆

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