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Java的內(nèi)存模型
在Java語(yǔ)言中，采用的是共享內(nèi)存模型來(lái)實(shí)現(xiàn)多線程之間的信息交換和數(shù)據(jù)同步的。線程之間通過(guò)共享程序公共的狀態(tài)，通過(guò)讀-寫內(nèi)存中公共狀態(tài)的方式來(lái)進(jìn)行隱式的通信。同步指的是程序在控制多個(gè)線程之間執(zhí)行程序的相對(duì)順序的機(jī)制，在共享內(nèi)存模型中，同步是顯式的，程序員必須顯式指定某個(gè)方法/代碼塊需要在多線程之間互斥執(zhí)行。下面是小編為大家?guī)?lái)的Java的內(nèi)存模型，歡迎閱讀。
概述
Java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序中各個(gè)變量的訪問(wèn)規(guī)則，即在JVM中將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)。此處的變量與Java編程里面的變量有所不同，它包含了實(shí)例字段、靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素，但不包含局部變量和方法參數(shù)，因?yàn)楹笳呤蔷�程私有的，不會(huì)共享，當(dāng)然不存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題(如果局部變量是一個(gè)reference引用類型，它引用的對(duì)象在Java堆中可被各個(gè)線程共享，但是reference引用本身在Java棧的局部變量表中，是線程私有的)。為了獲得較高的執(zhí)行效能，Java內(nèi)存模型并沒(méi)有限制執(zhí)行引起使用處理器的特定寄存器或者緩存來(lái)和主內(nèi)存進(jìn)行交互，也沒(méi)有限制即時(shí)編譯器進(jìn)行調(diào)整代碼執(zhí)行順序這類優(yōu)化措施。
JMM規(guī)定了所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存(Main Memory)中。每個(gè)線程還有自己的工作內(nèi)存(Working Memory),線程的工作內(nèi)存中保存了該線程使用到的變量的主內(nèi)存的副本拷貝，線程對(duì)變量的所有操作(讀取、賦值等)都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量(volatile變量仍然有工作內(nèi)存的拷貝，但是由于它特殊的操作順序性規(guī)定，所以看起來(lái)如同直接在主內(nèi)存中讀寫訪問(wèn)一般)。不同的線程之間也無(wú)法直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程之間值的傳遞都需要通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成。
線程1和線程2要想進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換一般要經(jīng)歷下面的步驟：
1.線程1把工作內(nèi)存1中的更新過(guò)的共享變量刷新到主內(nèi)存中去。
2.線程2到主內(nèi)存中去讀取線程1刷新過(guò)的共享變量，然后copy一份到工作內(nèi)存2中去。
內(nèi)存模型的特性
Java內(nèi)存模型是圍繞著并發(fā)編程中原子性、可見(jiàn)性、有序性這三個(gè)特征來(lái)建立的，那我們依次看一下這三個(gè)特征：
原子性(Atomicity)
原子性是指一個(gè)操作不能被打斷，要么全部執(zhí)行完畢，要么不執(zhí)行。在這點(diǎn)上有點(diǎn)類似于事務(wù)操作，要么全部執(zhí)行成功，要么回退到執(zhí)行該操作之前的狀態(tài)。
基本類型數(shù)據(jù)的訪問(wèn)大都是原子操作，long 和double類型的變量是64位，但是在32位JVM中，32位的JVM會(huì)將64位數(shù)據(jù)的讀寫操作分為2次32位的讀寫操作來(lái)進(jìn)行，這就導(dǎo)致了long、double類型的變量在32位虛擬機(jī)中是非原子操作，數(shù)據(jù)有可能會(huì)被破壞，也就意味著多個(gè)線程在并發(fā)訪問(wèn)的時(shí)候是線程非安全的。
下面我們來(lái)演示這個(gè)32位JVM下，對(duì)64位long類型的數(shù)據(jù)的訪問(wèn)的問(wèn)題：
【代碼1】
public class NotAtomicity {
//靜態(tài)變量t
public static long t = 0;
//靜態(tài)變量t的get方法
public static long getT() {
return t;
}
//靜態(tài)變量t的set方法
public static void setT(long t) {
NotAtomicity.t = t;
}
//改變變量t的線程
public static class ChangeT implements Runnable{
private long to;
public ChangeT(long to) {
this.to = to;
}
public void run() {
//不斷的將long變量設(shè)值到 t中
while (true) {
NotAtomicity.setT(to);
//將當(dāng)前線程的執(zhí)行時(shí)間片段讓出去，以便由線程調(diào)度機(jī)制重新決定哪個(gè)線程可以執(zhí)行
Thread.yield();
}
}
}
//讀取變量t的線程，若讀取的值和設(shè)置的值不一致，說(shuō)明變量t的數(shù)據(jù)被破壞了，即線程不安全
public static class ReadT implements Runnable{
public void run() {
//不斷的讀取NotAtomicity的t的值
while (true) {
long tmp = NotAtomicity.getT();
//比較是否是自己設(shè)值的其中一個(gè)
if (tmp != 100L && tmp != 200L && tmp != -300L && tmp != -400L) {
//程序若執(zhí)行到這里，說(shuō)明long類型變量t，其數(shù)據(jù)已經(jīng)被破壞了
System.out.println(tmp);
}
////將當(dāng)前線程的執(zhí)行時(shí)間片段讓出去，以便由線程調(diào)度機(jī)制重新決定哪個(gè)線程可以執(zhí)行
Thread.yield();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new Thread(new ChangeT(100L)).start();
new Thread(new ChangeT(200L)).start();
new Thread(new ChangeT(-300L)).start();
new Thread(new ChangeT(-400L)).start();
new Thread(new ReadT()).start();
}
}
我們創(chuàng)建了4個(gè)線程來(lái)對(duì)long類型的變量t進(jìn)行賦值，賦值分別為100,200，-300，-400，有一個(gè)線程負(fù)責(zé)讀取變量t,如果正常的話，讀取到的t的值應(yīng)該是我們賦值中的一個(gè)，但是在32的JVM中(ps: 64位的就別想了)，事情會(huì)出乎預(yù)料。如果程序正常的話，我們控制臺(tái)不會(huì)有任何的輸出，可實(shí)際上，程序一運(yùn)行，控制臺(tái)就輸出了下面的信息：
-4294967096
4294966896
-4294967096
-4294967096
4294966896
之所以會(huì)出現(xiàn)上面的情況，是因?yàn)樵?2位JVM中，64位的long數(shù)據(jù)的讀和寫都不是原子操作，即不具有原子性，并發(fā)的時(shí)候相互干擾了。
32位的JVM中，要想保證對(duì)long、double類型數(shù)據(jù)的操作的原子性，可以對(duì)訪問(wèn)該數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行同步，就像下面的：
【代碼2】
public class Atomicity {
//靜態(tài)變量t
public static long t = 0;
//靜態(tài)變量t的get方法,同步方法
public synchronized static long getT() {
return t;
}
//靜態(tài)變量t的set方法，同步方法
public synchronized static void setT(long t) {
Atomicity.t = t;
}
//改變變量t的線程
public static class ChangeT implements Runnable{
private long to;
public ChangeT(long to) {
this.to = to;
}
public void run() {
//不斷的將long變量設(shè)值到 t中
while (true) {
Atomicity.setT(to);
//將當(dāng)前線程的執(zhí)行時(shí)間片段讓出去，以便由線程調(diào)度機(jī)制重新決定哪個(gè)線程可以執(zhí)行
Thread.yield();
}
}
}
//讀取變量t的線程，若讀取的值和設(shè)置的值不一致，說(shuō)明變量t的數(shù)據(jù)被破壞了，即線程不安全
public static class ReadT implements Runnable{
public void run() {
//不斷的讀取NotAtomicity的t的值
while (true) {
long tmp = Atomicity.getT();
//比較是否是自己設(shè)值的其中一個(gè)
if (tmp != 100L && tmp != 200L && tmp != -300L && tmp != -400L) {
//程序若執(zhí)行到這里，說(shuō)明long類型變量t，其數(shù)據(jù)已經(jīng)被破壞了
System.out.println(tmp);
}
////將當(dāng)前線程的執(zhí)行時(shí)間片段讓出去，以便由線程調(diào)度機(jī)制重新決定哪個(gè)線程可以執(zhí)行
Thread.yield();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new Thread(new ChangeT(100L)).start();
new Thread(new ChangeT(200L)).start();
new Thread(new ChangeT(-300L)).start();
new Thread(new ChangeT(-400L)).start();
new Thread(new ReadT()).start();
}
}
這樣做的話，可以保證對(duì)64位數(shù)據(jù)操作的原子性。
可見(jiàn)性
一個(gè)線程對(duì)共享變量做了修改之后，其他的線程立即能夠看到(感知到)該變量這種修改(變化)。
Java內(nèi)存模型是通過(guò)將在工作內(nèi)存中的變量修改后的值同步到主內(nèi)存，在讀取變量前從主內(nèi)存刷新最新值到工作內(nèi)存中，這種依賴主內(nèi)存的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性的。
無(wú)論是普通變量還是volatile變量都是如此，區(qū)別在于：volatile的特殊規(guī)則保證了volatile變量值修改后的新值立刻同步到主內(nèi)存，每次使用volatile變量前立即從主內(nèi)存中刷新，因此volatile保證了多線程之間的操作變量的可見(jiàn)性，而普通變量則不能保證這一點(diǎn)。
除了volatile關(guān)鍵字能實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性之外，還有synchronized,Lock，final也是可以的。
使用synchronized關(guān)鍵字，在同步方法/同步塊開始時(shí)(Monitor Enter),使用共享變量時(shí)會(huì)從主內(nèi)存中刷新變量值到工作內(nèi)存中(即從主內(nèi)存中讀取最新值到線程私有的工作內(nèi)存中)，在同步方法/同步塊結(jié)束時(shí)(Monitor Exit),會(huì)將工作內(nèi)存中的變量值同步到主內(nèi)存中去(即將線程私有的工作內(nèi)存中的值寫入到主內(nèi)存進(jìn)行同步)。
使用Lock接口的最常用的實(shí)現(xiàn)ReentrantLock(重入鎖)來(lái)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)性：當(dāng)我們?cè)诜椒ǖ拈_始位置執(zhí)行l(wèi)ock.lock()方法，這和synchronized開始位置(Monitor Enter)有相同的語(yǔ)義，即使用共享變量時(shí)會(huì)從主內(nèi)存中刷新變量值到工作內(nèi)存中(即從主內(nèi)存中讀取最新值到線程私有的工作內(nèi)存中)，在方法的最后finally塊里執(zhí)行l(wèi)ock.unlock()方法，和synchronized結(jié)束位置(Monitor Exit)有相同的語(yǔ)義,即會(huì)將工作內(nèi)存中的變量值同步到主內(nèi)存中去(即將線程私有的工作內(nèi)存中的值寫入到主內(nèi)存進(jìn)行同步)。
final關(guān)鍵字的可見(jiàn)性是指：被final修飾的變量，在構(gòu)造函數(shù)數(shù)一旦初始化完成，并且在構(gòu)造函數(shù)中并沒(méi)有把“this”的引用傳遞出去(“this”引用逃逸是很危險(xiǎn)的，其他的線程很可能通過(guò)該引用訪問(wèn)到只“初始化一半”的對(duì)象)，那么其他線程就可以看到final變量的值。
有序性
對(duì)于一個(gè)線程的代碼而言，我們總是以為代碼的執(zhí)行是從前往后的，依次執(zhí)行的。這么說(shuō)不能說(shuō)完全不對(duì)，在單線程程序里，確實(shí)會(huì)這樣執(zhí)行;但是在多線程并發(fā)時(shí)，程序的執(zhí)行就有可能出現(xiàn)亂序。用一句話可以總結(jié)為：在本線程內(nèi)觀察，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(wú)序的。前半句是指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行語(yǔ)義(WithIn Thread As-if-Serial Semantics)”,后半句是指“指令重排”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存和主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。
Java提供了兩個(gè)關(guān)鍵字volatile和synchronized來(lái)保證多線程之間操作的有序性,volatile關(guān)鍵字本身通過(guò)加入內(nèi)存屏障來(lái)禁止指令的重排序，而synchronized關(guān)鍵字通過(guò)一個(gè)變量在同一時(shí)間只允許有一個(gè)線程對(duì)其進(jìn)行加鎖的規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)，在單線程程序中，不會(huì)發(fā)生“指令重排”和“工作內(nèi)存和主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象，只在多線程程序中出現(xiàn)。
happens-before原則
Java內(nèi)存模型中定義的兩項(xiàng)操作之間的次序關(guān)系，如果說(shuō)操作A先行發(fā)生于操作B，操作A產(chǎn)生的影響能作B觀察到，“影響”包含了修改了內(nèi)存享變量的值、發(fā)送了消息、調(diào)用了方法等。
下面是Java內(nèi)存模型下一些”天然的“happens-before關(guān)系，這些happens-before關(guān)系無(wú)須任何同步器協(xié)助就已經(jīng)存在，可以在編碼中直接使用。如果兩個(gè)操作之間的關(guān)系不在此列，并且無(wú)法從下列規(guī)則推導(dǎo)出來(lái)的話，它們就沒(méi)有順序性保障，虛擬機(jī)可以對(duì)它們進(jìn)行隨意地重排序。
程序次序規(guī)則(Pragram Order Rule)：在一個(gè)線程內(nèi)，按照程序代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作。準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該是控制流順序而不是程序代碼順序，因?yàn)橐紤]分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)。
管程鎖定規(guī)則(Monitor Lock Rule)：一個(gè)unlock操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖的lock操作。這里必須強(qiáng)調(diào)的是同一個(gè)鎖，而”后面“是指時(shí)間上的先后順序。
volatile變量規(guī)則(Volatile Variable Rule)：對(duì)一個(gè)volatile變量的寫操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀取操作，這里的”后面“同樣指時(shí)間上的先后順序。
線程啟動(dòng)規(guī)則(Thread Start Rule)：Thread對(duì)象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每一個(gè)動(dòng)作。
線程終于規(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(guò)Thread.join()方法結(jié)束，Thread.isAlive()的返回值等作段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。
線程中斷規(guī)則(Thread Interruption Rule)：對(duì)線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生，可以通過(guò)Thread.interrupted()方法檢測(cè)是否有中斷發(fā)生。
對(duì)象終結(jié)規(guī)則(Finalizer Rule)：一個(gè)對(duì)象初始化完成(構(gòu)造方法執(zhí)行完成)先行發(fā)生于它的finalize()方法的開始。
傳遞性(Transitivity)：如果操作A先行發(fā)生于操作B，操作B先行發(fā)生于操作C，那就可以得出操作A先行發(fā)生于操作C的結(jié)論。
一個(gè)操作”時(shí)間上的先發(fā)生“不代表這個(gè)操作會(huì)是“先行發(fā)生"，那如果一個(gè)操作"先行發(fā)生"是否就能推導(dǎo)出這個(gè)操作必定是"時(shí)間上的先發(fā)生"呢?也是不成立的，一個(gè)典型的例子就是指令重排序。所以時(shí)間上的先后順序與happens-before原則之間基本沒(méi)有什么關(guān)系，所以衡量并發(fā)安全問(wèn)題一切必須以happens-before 原則為準(zhǔn)。
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