浅谈Java的内存模型以及交互，内存模型

来源： javaer 分享于 2019-10-10 点击 2704 次点评：255

浅谈Java的内存模型以及交互，内存模型

本文的内存模型只写虚拟机内存模型，物理机的不予描述。

Java内存模型

　　在Java中，虚拟机将运行时区域分成6中，如下图：

常量池：存放final修饰的成员变量、直接定义的字符串（如 Sring s = "test";这种）还有6种数据类型包装类型从-128~127对应的对象（这也解释了我们new两个在这区间的包装类型对象时，为什么他们是一样的，布尔类型存放的是true和false两种，浮点类型Double和Float因为精度问题不存入其中）等

在上面的6种类型中，前三种是线程私有的，也就是说里面存放的值其他线程是看不到的，而后面三种（真正意义上讲只有堆一种）是线程之间共享的，这里面的变量对于各个线程都是可见的。如下图所示，前三种存放在线程内存中，大家都是相互独立的，而主内存可以理解为堆内存（实际上只是堆内存中的对象实例数据部分，其他例如对象头和对象的填充数据并不算入在内），为线程之间共享：

参照《深入理解Java虚拟机》

　　对于普通的变量来说（非volatile修饰的变量），虚拟机要求read、load有相对顺序即可，例如从主内存读取i、j两个变量，可能的操作是read i->read j->load j-> load i，并不一定是连续的。此外虚拟机还为这8种操作定制了操作的规则：

（read，load）、（store，write）不允许出现单独的操作。也就是说这两种操作一定是以组的形式出现的，有read就有load，有store就有write，不能读取了变量值而不加载到线程内存中，也不能储存了变量值而不写到主内存中。
不允许线程放弃最近的assign操作。也就是说当线程使用assign操作对私有内存的变量副本进行了变更的时候，其必须使用write操作将其同步到主内存当中去。
不允许一个线程无原因地（没有进行assign操作）将私有内存的变量同步到主内存中。
变量必须从主内存产生，即不允许在私有内存中使用未初始化（未进行load或者assgin操作）的变量。也就是说，在use之前必须保证执行了load操作，在store之前必须保证执行了assign操作，例如有成员变量a和局部变量b，如果想进行a = b的操作，必须先初始化b。（一开始说了，变量指的是可以放在堆内存的变量）
一个变量一次只能同时允许一个线程对其进行lock操作。一个主内存的变量被一个线程使用lock操作之后，在这个线程执行unlock操作之前，其他线程不能对此变量进行操作。但是一个线程可以对一个变量进行多次锁，只要最后释放锁的次数和加锁的次数一致才能解锁。
当线程使用lock操作时，清除所有私有内存的变量副本。
使用unlock操作时，必须在此操作之前将变量同步到主内存当中。
不允许对没有进行lock操作的变量执行unlock操作，也不允许线程去unlock其他线程lock的变量。

改变规则的Volatile关键字

　　对于关键字volatile，大家都知道其一般作为并发的轻量级关键字，并且具有两个重要的语义：

但这两个语义都是因为在使用volatile关键字修饰变量的时候，内存间变量的交互规则会发生一些变化：

从上面volatile的特殊规则中，我们可以知道1、2条其实就是volatile内存可见性的语义，第三条就是禁止指令重排序的语义。另外还有其他的一些特殊规则，例如对于非volatile修饰的double或者long这两个64位的数据类型中，虚拟机允许对其当做两次32位的操作来进行，也就是说可以分解成非原子性的两个操作，但是这种可能性出现的情况也相当的小。因为Java内存模型虽然允许这样子做，但却“强烈建议”虚拟机选择实现这两种类型操作的原子性，所以平时不会出现读到“半个变量”的情况。

volatile不具备原子性

　　虽然volatile修饰的变量可以强制刷新内存，但是其并不具备原子性，稍加思考就可以理解，虽然其要求对变量的（read、load、use）、（assign、store、write）必须是连续出现，即以组的形式出现，但是这两组操作还是分开的。比如说，两个线程同时完成了第一组操作（read、load、use），但是还没进行第二组操作（assign、store、write），此时是没错的，然后两个线程开始第二组操作，这样最终其中一个线程的操作会被覆盖掉，导致数据的不准确。如果你觉得这是JOJO的奇妙比喻，可以看下面的代码来理解

public class TestForVolatile {

    public static volatile int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建四个线程，每个线程对i执行一定次数的自增操作
        new Thread(() -> {
            int k = 0;
            while (k++ < 10000) {
                i++;
            }
            System.err.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
        }).start();
        new Thread(() -> {
            int k = 0;
            while (k++ < 10000) {
                i++;
            }
            System.err.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
        }).start();
        new Thread(() -> {
            int k = 0;
            while (k++ < 10000) {
                i++;
            }
            System.err.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
        }).start();
        new Thread(() -> {
            int k = 0;
            while (k++ < 10000) {
                i++;
            }
            System.err.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
        }).start();
　　　　　// 睡眠一定时间确保四个线程全部执行完毕
        Thread.sleep(1000);
　　　　　　// 最终结果为33555，没有预期的4W
        System.out.println(i);
　　　　　　
    }

}

结果图：

　　解释一下：因为i++操作其实为i = i + 1，假设在主内存i = 99的时候同时有两个线程完成了第一组操作（read、load、use），也就是完成了等号后面变量i的读取操作，这时候是没问题的，然后进行运算，都得出i+1=100的结果，接着对变量i进行赋值操作，这就开始第二组操作（assign、store、write），是不是同时赋值的无所谓，这样一来，两个线程都会以i = 100把值写到主内存中，也就是说，其中一个线程的操作结果会被覆盖，相当于无效操作，这就导致上面程序最终结果的不准确。

　　如果要保证原子性的话可以使用synchronize关键字，其可以保证原子性和内存可见性（但是不具备有禁止指令重排序的语义，这也是为什么double-check的单例模式中，实例要用volatile修饰的原因）；当然你也可以使用JUC包的原子类AtomicInteger之类的。

　　暂时写到这里，其他关于重排序、内存屏障和happens-before原则等内容后面再进行补充。如果文章有任何不对的地方望大家指出，感激不尽！

暂无相关文章