[jvm虛擬機(jī)]java內(nèi)存模型

本文并非我的原創(chuàng)文章，而是我學(xué)習(xí)jvm時(shí)的筆記。文中的材料與數(shù)據(jù)大部分來自于其它資料，詳細(xì)請(qǐng)查看本文的引用章節(jié)。

JAVA內(nèi)存模型

猶記得大學(xué)時(shí)操作系統(tǒng)課上，我們迷茫的眼神注視著帶著厚眼鏡教授向我們一遍遍的強(qiáng)調(diào)，一個(gè)程序最少有一個(gè)進(jìn)程組成，進(jìn)程是操作系統(tǒng)提供獨(dú)立資源供應(yīng)用程序運(yùn)行的基本單位。另外老師向我們講到，為了更好的提高計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算能力，計(jì)算機(jī)科學(xué)家們又設(shè)計(jì)了線程。線程是比進(jìn)程更小的單位，一個(gè)進(jìn)程可以由多個(gè)線程組成。同時(shí)線程也是在得到cpu時(shí)間片時(shí)可運(yùn)行的最小的單位。尤記得在這些理論基礎(chǔ)下，我慢慢的學(xué)會(huì)了使用C在LINUX環(huán)境下使用多進(jìn)程和多線程進(jìn)行編程。這些并發(fā)API都是LINUX提供的標(biāo)準(zhǔn)API，程序在編譯鏈接之后可以直接調(diào)用通過系統(tǒng)內(nèi)核創(chuàng)建進(jìn)程或線程，在類UNIX操作系統(tǒng)下這樣去做可以讓程序有更高的性能。但是這種編程方式所編寫出來的代碼是與操作系統(tǒng)綁定的，我在linux下明明可以完美運(yùn)行的代碼，在windows下連編譯甚至都做不到。除非是用 windows API重新把與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互的那些代碼給替換掉，否則就不要想著讓程序去跨平臺(tái)運(yùn)行了。
在進(jìn)行并發(fā)編程時(shí)相對(duì)于C，我更喜歡java的編程體驗(yàn)。java消除操作系統(tǒng)之間的差異，原生的對(duì)多線程應(yīng)用提供了很好的支持，特別是在jdk1.5之后，jdk還提供了currency包，更好的讓程序員們無需去關(guān)注并發(fā)的難點(diǎn)與細(xì)節(jié)，更專心的關(guān)注應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)。
在多線程編程中最長遇到的問題就是線程安全問題，其中又以內(nèi)存中的數(shù)據(jù)安全問題最為常見(這個(gè)數(shù)據(jù)安全指的是發(fā)生臟讀、幻讀等并發(fā)編程中會(huì)遇到的錯(cuò)誤)。為了消除不同硬件和操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存操作的差異，在硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)的內(nèi)存模型之上，java虛擬機(jī)規(guī)范定義了一種java內(nèi)存模型(JAVA Memory Model,簡稱JMM)，將內(nèi)存分為了工作內(nèi)存和主內(nèi)存。JMM主要定義了JVM中在內(nèi)存中操作變量的規(guī)則和細(xì)節(jié)，用來解決在并發(fā)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)變量操作時(shí)可能會(huì)發(fā)生的各種問題。JMM完全兼容CPU的多級(jí)cache機(jī)制，并且支持編譯器的代碼重排序。
注意：JMM內(nèi)存模型的概念不同于jvm中6大內(nèi)存區(qū)域的概念，兩者不可強(qiáng)行混為一談。

主內(nèi)存和工作內(nèi)存

JMM規(guī)定了所有的全局變量都存于主內(nèi)存(Main Memory)中，一般情況下這些全局變量都會(huì)被保存到堆里。每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存(Working Memory)，工作內(nèi)存中會(huì)保存當(dāng)前線程所需用到的主內(nèi)存中全局變量的拷貝和自己的局部變量。一般情況下工作內(nèi)存指的是棧內(nèi)存，從物理上來講，工作內(nèi)存一般情況下都會(huì)工作于cpu的cache里。一個(gè)線程對(duì)全局變量的任何操作必須在自己的工作內(nèi)存中進(jìn)行，不允許直接操作工作內(nèi)存。不同線程不能訪問對(duì)方的工作內(nèi)容，只能通過主內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。



{% asset_img /images/java/jvm/JMM交互關(guān)系圖.png JMM交互關(guān)系圖 %}

工作內(nèi)存在對(duì)主內(nèi)存中變量做拷貝時(shí)，如果變量是基本類型的，則會(huì)拷貝其值；如果是引用類型的，那么僅僅會(huì)拷貝其引用

JMM內(nèi)存操作

JMM定義了8種主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間的具體交互操作，虛擬機(jī)在實(shí)現(xiàn)JMM時(shí)必須保證每種內(nèi)存操作都是原子的。表1詳細(xì)列出了JMM的8種內(nèi)存操作。

| 指令 | 操作名 | 作用區(qū)域 | 描述
| :------ | :------ | :------ |
| lock | 鎖定 | 主內(nèi)存 | 把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一個(gè)線程獨(dú)占的狀態(tài)
| unlock | 解鎖 | 主內(nèi)存 | 把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來
| read | 讀取 | 主內(nèi)存 | 把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存讀取到工作內(nèi)存中，以便于隨后的load指令使用
| load | 載入 | 工作內(nèi)存 | 把read指令從主內(nèi)存中讀取的變量值放入到工作內(nèi)存的變量副本中
| use | 使用 | 工作內(nèi)存 | 將工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳遞給執(zhí)行引擎
| assign | 賦值 | 工作內(nèi)存 | 把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量
| store | 存儲(chǔ) | 工作內(nèi)存 | 把一個(gè)工作內(nèi)存中變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便于隨后的write指令使用
| write | 寫入 | 主內(nèi)存 | 把store指令從工作內(nèi)存?zhèn)鞒龅淖兞康闹祵懭氲街鲀?nèi)存的變量中
表1 JMM內(nèi)存操作指令表

20170702 01:48 編輯到JMM內(nèi)存操作指令表

JMM規(guī)定了在使用以上8種內(nèi)存操作時(shí)必須遵守以下規(guī)則：

  • read,load或store,write必須成對(duì)出現(xiàn)。如：執(zhí)行read操作從主內(nèi)存讀取一個(gè)變量后，必須在工作內(nèi)存使用load載入這個(gè)變量。兩者之間的順序不可錯(cuò)，但兩者之間可以穿插其它指令。同理，在工作內(nèi)存中對(duì)一個(gè)變量使用了store指令，必須在主內(nèi)存中使用write指令進(jìn)行寫入。
  • 不允許一個(gè)線程丟棄它最近做的assign操作。變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須將這個(gè)變化同步到主內(nèi)存中。
  • 不允許一個(gè)線程沒有發(fā)生過assign操作就將數(shù)據(jù)從工作內(nèi)存同步到主內(nèi)存。
  • 只能在主內(nèi)存中新建全局變量，不能在工作內(nèi)存中直接使用一個(gè)未被初始化的變量。可以使用assign和load指令在工作內(nèi)存對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行初始化操作。
  • 一個(gè)變量在同一時(shí)刻只能被一個(gè)線程執(zhí)行l(wèi)ock操作。
  • 如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行l(wèi)ock，那將清空工作內(nèi)存中此變量的值。在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量之前，需要重新load或assign重新初始化變量的值。
  • unlock只能解鎖被本線程鎖定的變量。
  • 對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock之前，必須將此變量同步回主內(nèi)存。

volatile 關(guān)鍵字

volatile是java語言所提供的關(guān)鍵字，使java最輕量級(jí)的內(nèi)存同步的措施。與 synchronized 塊相比，volatile 變量所需的編碼較少，并且運(yùn)行時(shí)開銷也較少，但是它所能實(shí)現(xiàn)的功能也僅是 synchronized 的一部分。

java中鎖提供了兩種主要特性：互斥（mutual exclusion） 和可見性（visibility）。互斥即一次只允許一個(gè)線程持有某個(gè)特定的鎖，因此可使用該特性實(shí)現(xiàn)對(duì)共享數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)訪問協(xié)議，這樣，一次就只有一個(gè)線程能夠使用該共享數(shù)據(jù)。可見性要更加復(fù)雜一些，它必須確保釋放鎖之前對(duì)共享數(shù)據(jù)做出的更改對(duì)于隨后獲得該鎖的另一個(gè)線程是可見的 。
volatile 變量具有 synchronized 的可見性特性，但是不具備鎖的原子特性。所以即便volatile沒有不一致的問題，但volatile變量在并發(fā)的運(yùn)算下并不是原子操作，所以依然可能會(huì)有安全問題。

  package com.github.weiwei02.jvm.jmm.volatile_test;

  /**
  * volatile 線程安全性測(cè)試
  * @author Wang Weiwei <email>weiwei02@vip.qq.com / weiwei.wang@100credit.com</email>
  * @version 1.0
  * @sine 2017/7/2
  */
  public class VolatileTest {
  public static volatile int race = 0;
  public static final int THREAD_COUNT=20;

  public static void main(String[] args) {
      Thread threads[] = new Thread[THREAD_COUNT];
      System.out.println(race);
      for (int i =0; i < THREAD_COUNT; i++){
          threads[i] = new Thread(() -> {
              for (int j = 0; j < 1000 ; j++) {
                  increase();
              }
          });
          threads[i].start();
      }


      //等待所有累加線程都結(jié)束
      while (Thread.activeCount() > 1){
          Thread.yield();
      }

      //等待所有線程執(zhí)行完畢之后，打印race的最終值
      System.out.println(race);
  }

  private static void increase() {
      race++;
  }
  }

代碼1 volatile 線程安全測(cè)試

程序的執(zhí)行結(jié)果如圖2所示。


volatile 線程安全測(cè)試
volatile 線程安全測(cè)試

圖2 volatile 線程安全測(cè)試

這個(gè)程序執(zhí)行的結(jié)果應(yīng)該是20000，可實(shí)際執(zhí)行所得到的結(jié)果只有18439.并且多次執(zhí)行本程序都會(huì)得到不一樣的結(jié)果。所以會(huì)出現(xiàn)這種情況的原因是 race++ 這個(gè)操作并不是原子操作，volatile關(guān)鍵字只能保證在使用race變量時(shí)，工作線程能夠從主內(nèi)存中拿取最新的race的值，并不能保證進(jìn)行過++操作之后寫回到主內(nèi)存期間其它線程沒有對(duì)race變量進(jìn)行修改。
volatile關(guān)鍵字只能保證可見性，只有在以下兩種條件下，我們可以認(rèn)為volatile是線程安全的；

  1. 運(yùn)算結(jié)果并不依賴變量的當(dāng)前值，或者能夠保證只有一個(gè)線程修改變量的值。
  2. 變量不需要與其它的變臉共同參與不變約束。

當(dāng)不符合這兩種條件時(shí)，想要保證volatile變量的原子性，只能通過 鎖 機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。

volatile變量的第二個(gè)重要作用是禁止編譯器進(jìn)行指令重排序。普通的變量僅僅會(huì)保證在該方法的執(zhí)行過程中所有依賴賦值結(jié)果的地方都能獲取到正確結(jié)果，而不能保證變量賦值操作的順序與程序代碼中的執(zhí)行順序一致。從硬件層面上來講，是指CPU允許多條指令不按程序規(guī)定的順序分開發(fā)送到個(gè)相應(yīng)的電路單元來處理。CPU必須要正確的處理指令的依賴情況，不能將指令任意的排序。比如指令1把地址A中的值加10，指令2把地址A中的值乘以2，指令3將地址B中的值減去3。在這一系列指令中，指令1,2之間是有依賴關(guān)系的，不能進(jìn)行重排序。但指令3的執(zhí)行順序可以改到指令1之前也可以放到指令1之后，只要能夠保證在執(zhí)行完畢這三條指令程序中A，B的值是正確的即可。volatile在某些情況下性能高于鎖，由于虛擬機(jī)對(duì)鎖實(shí)行有多種消除和優(yōu)化，我們很難衡量volatile會(huì)比鎖快多少。

原子性、可見性和有序性

20170803 23:11:51 原子性、可見性和有序性
JAVA內(nèi)存模型的核心問題時(shí)為了解決多線程應(yīng)用中的原子性、可見性與有序性的問題，保證了這三點(diǎn)才能使多線程應(yīng)用有數(shù)據(jù)安全性可言。

  • 原子性 (Atomicity)
    由java內(nèi)存模型來直接保證原子性的操作包括read、load、assign、use、store和write。對(duì)于一個(gè)變量的基本讀寫操作都是具有原子性的。如果需要對(duì)多種這幾種基本讀寫操作的操作集合保證原子性，可以使用lock和unlock。
  • 可見性(Visibility)
    可見性是指當(dāng)變量的值被一個(gè)線程修改了之后，其它線程能夠立即知道這個(gè)修改。JAVA內(nèi)存模型時(shí)通過變量內(nèi)容修改后立刻同步到主內(nèi)存，讀取變量的值之前先從內(nèi)存刷新這種方式來保證可見性。JAVA中除了volatile之外還有synchronized、final兩個(gè)關(guān)鍵字能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)存可見性。synchronized的可見性是由"對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行unlock操作之前，必須先把此變量同步會(huì)主內(nèi)存中（執(zhí)行store，write操作）"這條規(guī)則獲得的。final的可見性是由于被final修飾的變量在構(gòu)造器中一旦被初始化完成，并且構(gòu)造器沒有吧this的引用傳遞出去（this引用是一件非常危險(xiǎn)的事，其它線程可能通過這個(gè)引用訪問到初始化一半的對(duì)象），，那在其它線程中就能看見final變量的值。
  • 有序性
    如果在本線程內(nèi)觀察，所有的操作都是有序的，如果在一個(gè)線程中觀察另外一個(gè)線程，所有的操作都是無序的。前半句指的是“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行的語義”(Within-Thread As-If-Serial Semantics)，后半句指的是“指令重排序”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存與主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。

先行發(fā)生原則

20170804 02:02:23 先行發(fā)生原則

先行發(fā)生原則（Happens-before）是JAVA內(nèi)存模型中定義的兩項(xiàng)操作之間的偏序關(guān)系，如果操作A先行發(fā)生于操作B，操作A造成的影響就能被操作B觀察到。JAVA只能怪的先行發(fā)生原則無需任何同步協(xié)助，可以直接編碼使用。以下列出JAVA中的先行發(fā)生原則，如果兩個(gè)操作之間的關(guān)系不在下面的規(guī)則中，且無法通過下面的規(guī)則推導(dǎo)出來，虛擬機(jī)就能隨意的對(duì)他們進(jìn)行指令重排序。

  • 程序次序規(guī)則（Program Order Rule)
    ：在一個(gè)線程內(nèi)，按照程序的代碼順序，書寫在前的操作先于書寫在后面的操作發(fā)生。準(zhǔn)確的說，應(yīng)該是控制流順序而不是程序代碼順序，因?yàn)樾枰紤]分支、循環(huán)等結(jié)構(gòu)。

  • 管程鎖定規(guī)則（Monitor Lock Rule）
    ： 一個(gè)unlocak操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖的lock操作。

  • volatile變量規(guī)則（Volatile Variable Rule）
    ：對(duì)一個(gè)volatile的寫操作，先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作。

  • 線程啟動(dòng)規(guī)則（Thread Start Rule）
    ：線程的start方法先行發(fā)生于此線程的每一個(gè)動(dòng)作。

  • 線程終止規(guī)則（Thread Termination Rule）
    ： 線程中的所有操作都先行發(fā)生于對(duì)此線程的終止檢測(cè)，我們可以通過Thread.jion()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值等手段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。

  • 線程中斷原則（Thread Interruption Rule）
    ：對(duì)線程的interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷的線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生，可以通過Thread.interrupted()方法檢測(cè)到是否有中斷發(fā)生。

  • 對(duì)象終結(jié)規(guī)則（Finalizer Rule）
    ：一個(gè)對(duì)象的初始化完成（夠構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行結(jié)束）先行發(fā)生于它的fnalize()方法開始。

  • 傳遞性（Transitivity）
    ：如果A操作先行發(fā)生于B操作，B操作先行發(fā)生于C操作，就可以得出A先行發(fā)生于C的結(jié)論。

時(shí)間先后順序與先行發(fā)生原則之間基本沒有關(guān)系，所以當(dāng)我們需要衡量并發(fā)安全問題的時(shí)候不要受到時(shí)間順序的干擾，一切必須以先行發(fā)生原則為準(zhǔn)。

20170804 23:59:46 先行發(fā)生原則

引用

本文是對(duì)class文件的學(xué)習(xí)筆記，筆記的內(nèi)容并非是原創(chuàng)，而是大量參考其它資料。在寫作本文的過程中引用了以下資料，為為在此深深謝過以下資料的作者。

  1. 《The Java Virtual Machine Specification》
  2. 《深入理解Java虛擬機(jī)：JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐/周志明著.——2版.——北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.6》

關(guān)于

原文鏈接 https://weiwei02.github.io/2017/07/02/jvm/001-java%E5%86%85%E5%AD%98%E6%A8%A1%E5%9E%8B/
我的github: https://github.com/weiwei02/
我相信技術(shù)能夠改變世界。

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