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Java內(nèi)存模型的深入講解

更新時(shí)間：2021年07月06日 09:03:28 作者：surzia

這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于Java內(nèi)存模型的相關(guān)資料,我們常說(shuō)的JVM內(nèi)存模式指的是JVM的內(nèi)存分區(qū),而Java內(nèi)存模式是一種虛擬機(jī)規(guī)范,需要的朋友可以參考下

內(nèi)存模型

Java虛擬機(jī)中的內(nèi)存模型將線程棧與堆劃分開，下圖描述了Java內(nèi)存模型的邏輯圖。

每個(gè)線程都要自己的線程棧，棧中存儲(chǔ)著線程執(zhí)行到當(dāng)前位置所調(diào)用的方法信息，線程執(zhí)行代碼時(shí)，線程棧會(huì)不斷執(zhí)行入棧和出棧操作。

線程棧中會(huì)存儲(chǔ)所有被調(diào)用的方法中定義的變量，并且自己訪問(wèn)自己棧中的變量，別的線程不可見。即使兩個(gè)線程執(zhí)行相同的代碼，也會(huì)在線程自己的棧中重復(fù)創(chuàng)建變量。一個(gè)線程可能會(huì)傳遞變量副本給另一個(gè)線程，但不能共享變量本身。

在棧中變量存儲(chǔ)形式也有所不同。屬于基本變量類型（int，byte，long，boolean，char，double，float，short）的變量，會(huì)直接將變量值存儲(chǔ)在棧中，而其余類型的變量的值被存儲(chǔ)在堆中，線程棧中只保留指向堆中變量地址的指針。
堆中則存儲(chǔ)Java程序中創(chuàng)建的所有對(duì)象，不管是什么線程創(chuàng)建的。創(chuàng)建對(duì)象并將其分配給局部變量，或者將其創(chuàng)建為另一個(gè)對(duì)象的成員變量都沒(méi)有影響，該對(duì)象仍存儲(chǔ)在堆中。

值得注意的是，Java中的靜態(tài)類變量也會(huì)隨著類初始化而存儲(chǔ)在堆中。

有指向?qū)ο笾羔樀乃芯€程都可以訪問(wèn)堆上的對(duì)象。當(dāng)線程可以訪問(wèn)對(duì)象時(shí)，它也可以訪問(wèn)該對(duì)象的成員變量。如果兩個(gè)線程同時(shí)在同一個(gè)對(duì)象上調(diào)用一個(gè)方法，則它們都將有權(quán)訪問(wèn)該對(duì)象的成員變量，但是每個(gè)線程將擁有自己的局部變量副本。

兩個(gè)線程有一組局部變量，指向堆上的共享對(duì)象。這兩個(gè)線程分別具有對(duì)同一對(duì)象的不同指針。它們的指針也是局部變量，因此存儲(chǔ)在每個(gè)線程的線程棧中（在每個(gè)線程上）。但是，兩個(gè)不同的指針指向堆上的同一對(duì)象。
下面的代碼塊就是上圖的一個(gè)實(shí)際例子。

public class MyRunnable implements Runnable() {

    public void run() {
        methodOne();
    }

    public void methodOne() {
        int localVariable1 = 45;
        MySharedObject localVariable2 = MySharedObject.sharedInstance;
        //...
        methodTwo();
    }

    public void methodTwo() {
        Integer localVariable1 = new Integer(99);
        //...
    }
}

public class MySharedObject {

    //static variable pointing to instance of MySharedObject
    public static final MySharedObject sharedInstance = new MySharedObject();

    //member variables pointing to two objects on the heap
    public Integer object2 = new Integer(22);
    public Integer object4 = new Integer(44);

    public long member1 = 12345;
    public long member2 = 67890;
}

硬件架構(gòu)

現(xiàn)代硬件的內(nèi)存架構(gòu)與Java內(nèi)存模型還是有些不同的，了解硬件架構(gòu)對(duì)理解Java內(nèi)存模型也有幫助。簡(jiǎn)單的硬件架構(gòu)圖如下：

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)一般是多核CPU，一般不止一個(gè)CPU，因此多個(gè)線程是可能在物理意義上并發(fā)運(yùn)行的。這意味著，如果Java應(yīng)用程序是多線程的，則每個(gè)CPU可能在Java應(yīng)用程序中同時(shí)（并發(fā)）運(yùn)行一個(gè)線程。

每個(gè)CPU包含一組寄存器，這些寄存器本質(zhì)上是CPU內(nèi)存儲(chǔ)器。CPU在這些寄存器上執(zhí)行操作的速度比對(duì)主存儲(chǔ)器中的變量執(zhí)行操作的速度快得多，這是因?yàn)镃PU可以比訪問(wèn)主存儲(chǔ)器更快地訪問(wèn)這些寄存器。

每個(gè)CPU可能還具有一個(gè)CPU高速緩存。實(shí)際上，大多數(shù)現(xiàn)代CPU都有一定大小的高速緩存。CPU可以比其主存儲(chǔ)器更快地訪問(wèn)其高速緩存，但是通常不如其訪問(wèn)其內(nèi)部寄存器的速度快。因此，CPU高速緩存存儲(chǔ)器位于內(nèi)部寄存器和主存儲(chǔ)器之間的速度之間。某些CPU可能具有多個(gè)高速緩存層（L1和L2 Cache）。了解Java內(nèi)存模型如何與內(nèi)存交互并不是很重要，重要的是要知道CPU可以具有某種高速緩存層。

計(jì)算機(jī)還包含一個(gè)主存儲(chǔ)區(qū)（RAM）。所有CPU都可以訪問(wèn)主存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)區(qū)通常比CPU的高速緩存大得多。

通常，當(dāng)CPU需要訪問(wèn)主內(nèi)存時(shí)，它將部分主內(nèi)存讀入其CPU緩存中。它甚至可以將緩存的一部分讀入其內(nèi)部寄存器，然后對(duì)其執(zhí)行操作。當(dāng)CPU需要將結(jié)果寫回主存儲(chǔ)器時(shí)，它將把值從其內(nèi)部寄存器刷新到高速緩存，然后在某個(gè)時(shí)候?qū)⒅邓⑿禄刂鞔鎯?chǔ)器。

當(dāng)CPU需要將其他內(nèi)容存儲(chǔ)在高速緩存中時(shí)，通常會(huì)將高速緩存中存儲(chǔ)的值刷新回主存儲(chǔ)器。CPU高速緩存可以一次將數(shù)據(jù)寫入其部分內(nèi)存，并一次刷新其部分內(nèi)存。它不必每次更新都讀取/寫入完整的緩存。通常，緩存在稱為“緩存行”的較小存儲(chǔ)塊中更新，可以將一個(gè)或多個(gè)高速緩存行讀入高速緩存存儲(chǔ)器，并且可以將一個(gè)或多個(gè)高速緩存行再次刷新回主存儲(chǔ)器。

Java內(nèi)存模型與硬件關(guān)聯(lián)

如前所述，Java內(nèi)存模型和硬件內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)是不同的，硬件內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)不能區(qū)分線程堆棧和堆。在硬件上，線程堆棧和堆都位于主內(nèi)存中。線程堆棧和堆的某些部分有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)在CPU緩存和內(nèi)部CPU寄存器中。下圖對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明：

當(dāng)對(duì)象和變量可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的各種不同存儲(chǔ)區(qū)域中時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)某些問(wèn)題。兩個(gè)主要問(wèn)題是：

線程更新（寫入）到共享變量的可見性。
讀取，檢查和寫入共享變量時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)條件。

對(duì)象的可見性

如果兩個(gè)或多個(gè)線程共享一個(gè)對(duì)象，而沒(méi)有正確使用volatile關(guān)鍵字，則一個(gè)線程對(duì)共享對(duì)象進(jìn)行的更新可能對(duì)其他線程不可見。

每個(gè)線程都可以擁有自己的共享庫(kù)副本，每個(gè)副本位于不同的CPU緩存中。想象一下，共享對(duì)象最初存儲(chǔ)在主存儲(chǔ)器中。然后，在CPU上運(yùn)行的一個(gè)線程將共享對(duì)象讀入其CPU緩存并進(jìn)行修改。只要未將CPU緩存刷新回主存儲(chǔ)器，在其他CPU上運(yùn)行的線程就看不到共享對(duì)象的更改版本。

下圖說(shuō)明了這種情況，在左CPU上運(yùn)行的一個(gè)線程將共享對(duì)象復(fù)制到其CPU緩存中，并將其count變量更改為2。在右CPU上運(yùn)行的其他線程看不到此更改，因?yàn)樯形磳ount更新寫回主內(nèi)存。

當(dāng)然這個(gè)問(wèn)題可以使用volatile關(guān)鍵字來(lái)解決。

競(jìng)爭(zhēng)條件

如果兩個(gè)或多個(gè)線程共享一個(gè)對(duì)象，并且一個(gè)以上的線程更新該共享對(duì)象中的變量，則可能會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)條件。

假如線程A將共享對(duì)象的變量count讀入其CPU緩存中，而線程B執(zhí)行同樣操作，但是它位于不同的CPU緩存中?，F(xiàn)在，線程A加一個(gè)要計(jì)數(shù)，線程B也執(zhí)行相同的操作?，F(xiàn)在count已增加兩次，在每個(gè)CPU高速緩存中增加一次。

如果這些增加是順序執(zhí)行的，則變量計(jì)數(shù)將增加兩次，并將原始值+2寫回到主存儲(chǔ)器中。

但是，這兩個(gè)增量是在沒(méi)有同步的情況下并發(fā)執(zhí)行的。不管線程A和B中哪個(gè)線程將其更新后的版本寫回主內(nèi)存，盡管有兩個(gè)增量，但更新后的值僅比原始值高1。

該圖說(shuō)明了如上所述的競(jìng)爭(zhēng)條件問(wèn)題的發(fā)生：