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千鋒扣丁學(xué)堂Java培訓(xùn)之基礎(chǔ)JVM內(nèi)存模型

2019-07-30 15:23:29 3803瀏覽

今天千鋒扣丁學(xué)堂Java培訓(xùn)老師給大家分享一篇關(guān)于JVM內(nèi)存模型的詳細(xì)介紹，首先在并發(fā)編程中，我們通常要處理兩個問題：線程之前如何通信與線程之間如何同步。通信是指線程之間如何交換信息，通常的通信手段有：共享內(nèi)存與消息傳遞（語言不同，通信機(jī)制不同，java使用的是共享內(nèi)存的并發(fā)模型）

在共享內(nèi)存的并發(fā)模型中，線程之間共享信息的公共狀態(tài)，通過對信息公共狀態(tài)的讀-寫來隱使地進(jìn)行線程通信；而在消息傳遞的并發(fā)模型中，由于線程直接沒有信息的公共狀態(tài)，所以只能傳遞明確消息來顯式地進(jìn)行通信

同步是指控制不同線程的操作發(fā)生相對順序的機(jī)制，在共享內(nèi)存并發(fā)模型里，同步是顯式進(jìn)行的，程序員必須顯式指定某個方法或某段代碼需要在線程之間互斥執(zhí)行。在消息傳遞的并發(fā)模型里，由于消息的發(fā)送必須在消息的接收之前，因此同步是隱式進(jìn)行的。

由于java使用的是共享內(nèi)存的并發(fā)模型，線程之間的通信總是隱式進(jìn)行，整個通信過程對程序員完全透明，如果不理解隱式進(jìn)行的線程之間通信的工作機(jī)制，很可能會遇到各種奇怪的內(nèi)存可見性問題。

Java內(nèi)存模型的抽象

上面已經(jīng)給出來了Java使用的是共享內(nèi)存的并發(fā)模型，在前一篇JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)中，只有兩塊內(nèi)存是被線程之間共享的，堆和方法區(qū)，所以這兩塊區(qū)域也是作為共享內(nèi)存的信息存儲區(qū)，包括實例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素（本文使用“共享變量”這個術(shù)語代指實例域，靜態(tài)域和數(shù)組元素）

Java線程之間的通信由Java內(nèi)存模型（本文簡稱為JMM）控制，JMM決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見。從抽象的角度來看，JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：線程之間的共享變量存儲在主內(nèi)存（mainmemory）中，每個線程都有一個私有的本地內(nèi)存（localmemory），本地內(nèi)存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本。本地內(nèi)存是JMM的一個抽象概念，并不真實存在。它涵蓋了緩存，寫緩沖區(qū)，寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。Java內(nèi)存模型的抽象示意圖如下：


線程A與線程B之間如要通信的話，必須要經(jīng)歷下面2個步驟（假設(shè)共享變量為X）：1.線程A先更新本地內(nèi)存X，然后把更新過的共享變量刷到主內(nèi)存中去。

2.線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A已更新過的共享變量X，同時更新本地內(nèi)存中的共享變量（若已存在該共享變量）。

這個通信過程必須要經(jīng)過主內(nèi)存。JMM通過控制主內(nèi)存與每個線程的本地內(nèi)存之間的交互，來為java程序員提供內(nèi)存可見性保證。

重排序

在執(zhí)行程序時為了提高性能，編譯器和處理器常常會對指令做重排序。重排序分三種類型：

1.編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，可以重新安排語句的執(zhí)行順序。

2.指令級并行的重排序?，F(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術(shù)（Instruction-LevelParallelism，ILP）來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語句對應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。

3.內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū)，這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

從java源代碼到最終實際執(zhí)行的指令序列，會分別經(jīng)歷下面三種重排序：


上述的1屬于編譯器重排序，2和3屬于處理器重排序。這些重排序都可能會導(dǎo)致多線程程序出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題。對于編譯器，JMM的編譯器重排序規(guī)則會禁止特定類型的編譯器重排序（不是所有的編譯器重排序都要禁止）。對于處理器重排序，JMM的處理器重排序規(guī)則會要求java編譯器在生成指令序列時，插入特定類型的內(nèi)存屏障（memorybarriers，intel稱之為memoryfence）指令，通過內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序（不是所有的處理器重排序都要禁止）。

說了這么多，舉個例子：

int a = 1; // step 1
boolean b = true; // step 2

正常情況下，step2不依賴step1的執(zhí)行，所以step1跟step2會發(fā)生重排序。但是如果后面有這么一段代碼：

if (b) {
 int c = a; //step 3
 System.out.println(c);
}

假設(shè)一種情況，在編譯器重排序下，線程1中，如果step2在step1之前執(zhí)行，線程2走到了step3,并且step1還沒有把a(bǔ)的值1刷新到主內(nèi)存，此時C的值并不會是1，這就是編譯器重排序引來的問題，前面也講到處理器重排序插入特定類型的內(nèi)存屏障，這就是來解決編譯器重排序帶來的問題。

內(nèi)存屏障

現(xiàn)代的處理器使用寫緩沖區(qū)來臨時保存向內(nèi)存寫入的數(shù)據(jù)。寫緩沖區(qū)可以保證指令流水線持續(xù)運(yùn)行，它可以避免由于處理器停頓下來等待向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的延遲。但是對內(nèi)存的讀/寫操作的執(zhí)行順序，不一定與內(nèi)存實際發(fā)生的讀/寫操作順序一致！

為了保證內(nèi)存可見性，java編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。JMM把內(nèi)存屏障指令分為下列四類：


StoreLoadBarriers是一個“全能型”的屏障，它同時具有其他三個屏障的效果?，F(xiàn)代的多處理器大都支持該屏障（其他類型的屏障不一定被所有處理器支持）。執(zhí)行該屏障開銷會很昂貴，因為當(dāng)前處理器通常要把寫緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)全部刷新到內(nèi)存中（bufferfullyflush）。同時這個屏障也解決了上面的問題，給c賦值前必須要先去a，那么在取a之前插入LoadStore，就可以保證讀取到最新的a值了！

以上就是關(guān)于千鋒扣丁學(xué)堂Java培訓(xùn)之基礎(chǔ)JVM內(nèi)存模型的全部內(nèi)容，想要了解更多關(guān)于Java開發(fā)方面內(nèi)容的小伙伴，請關(guān)注扣丁學(xué)堂Java培訓(xùn)官網(wǎng)、微信等平臺，扣丁學(xué)堂IT職業(yè)在線學(xué)習(xí)教育有專業(yè)的Java講師為您指導(dǎo)，此外扣丁學(xué)堂老師精心推出的Java視頻教程定能讓你快速掌握J(rèn)ava從入門到精通開發(fā)實戰(zhàn)技能?？鄱W(xué)堂Java技術(shù)交流群：850353792。

                        

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