Java线程内存模型

Java线程内存模型

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知道JVM内存模型可以在学习多线程的时候更加了解锁的机制和工作方式。下面是我的学习笔记,比较初级。

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JVM定义了Java的虚拟内存模型,跟C/C++不一样的是,虚拟内存将物理内存划分了不同的区域,而C/C++是直接映射物理内存的。

笼统的来说,jvm一般将内存分为栈和堆,栈用来存储静态方法和静态变量,而堆用来存储对象和普通变量。

但是如果从线程的角度,内存模型会变成下图的样子

图片 3线程内存模型

在这个模型中,变量是在主内存中的,线程各自有各自的工作内存,不会出现相互干扰。

工作内存通过跟主内存之间的操作,实现变量数据的交换共享。而线程工作内存是相互隔离的。这样各线程工作的时候不会对其他线程的工作数据产生影响

两块内存有8种操作。

  1. (lock – unlock)
    lock将一个主内存变量标记成线程独占,unlock将独占的变量释放
  2. (read – load)read
    将主内存的变量读取到CPU中,load操作将read到的变量存入到工作内存中,一定会成对出现
  3. (use – assign)
    use将工作内存中的变量传递给执行的代码中,当代码需要使用变量值的字节码时,需要这个操作。
    assign
    赋值操作,将代码中赋值指令出现时,把收到的变量赋值到工作内存中
  4. (store – write) store
    将工作内存的变量传送回主内存,但是只是传送,write操作才会将值写入到主内存。而且这两个一定会成对出现
  • read load ; store
    write只能成对操作,不能出现只读不用,只返回不存储
  • 不允许线程丢弃assign操作,用完的变量一定会传回主内存,也不允许将未assign的变量从工作内存写回主内存
  • 变量只能从主内存中创建,未初始化的变量线程不能load 或 assign
  • 变量只能被一条线程lock,而且可以lock很多次,必须执行相应条数的unlock才会被释放
  • 线程只能unlock自己lock的变量,未被lock的变量不能执行unlock,不允许unlock其他线程lock的变量
  • lock变量操作会将工作内存的变量清空,使用这个变量时,相应使用这个变量时,需要重新load
    和assign
  • unlock 前,变量会被重新写入主内存

正如上面4条说明,每两对操作基本都是对应的,成对出现的。

下面说一下特例情况

synchronized对内存可见性的影响

首先synchronized关键字在线程同步上,安全性几乎是万能的,导致被滥用的一塌糊涂。其次synchronized关键字保证了两条线程遵循happens-before的设计原则,两个线程必须一先一后执行。

它会阻止其它线程获取当前对象锁,这样就使得当前对象中被synchronized关键字保护的代码块无法被其它线程访问,也就无法并发执行。

volatile和synchronized的区别

最后synchronized关键字对内存的影响是,当一个线程从一个synchronized块出来时,内存一定会刷新成最新的数据,保证变量的可见性。

接着是volatile关键字

volatile 修饰的变量。面试容易被问,因为大家喜欢用synchronized
来进行同步,忽略了了volatile这个关键字

那么他们的区别是什么?“可见性”!但是一定要记住,这里的可见性不是绝对的立即可见,虽然volatile变量会将变量的变化及时的反应到其他线程的工作内存中去,但是并不表示被修饰的变量在各线程中会一致,只是使用的时候会被刷新,所以执行引擎不会发现不一致的情况,而实际上,被修饰的变量也会有不同的工作内存中值不一致的情况

volatile
关键字只能保证线程取值的时候,是一致的,等取到工作内存中进行操作时,如果变量被其他线程存回去的话,这时候工作内存的变量就会出现不一致。下面一段代码会出现比预期值小的情况

public class TestVolatail { public static volatile int added = 0; public static void increase() { added++;//++ 操作是先取出来,然后再加一,如果想线程安全,试试juc里面的atomic包下的类 } public static final int ADD_ACCOUNTER = 10; public static void main(String[] args) { Thread t[] = new Thread[ADD_ACCOUNTER]; for (int i = 0; i < ADD_ACCOUNTER; i++) { t[i] = new Thread -> { for (int m = 0; m < 10000; m++) { increase; t[i].start(); } while (Thread.activeCount { Thread.yield(); } System.out.println("最终累加值:" + added); }}

输出结果:

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10个线程,每个对变量做10000次累加,并不是100000,变小了是因为某些线程正在累加的时候,新的较小的值已经覆盖了正在使用的变量,别的线程来取会以这个较小的值为准。

所以volatile只能保证可见性,不能保证一致性

面试的时候最好提一下volatile会禁止jvm做指令重排序,java1.5之后才变成这样的,本篇暂且不表,坑后面再填

long 和 double的特殊性

首先 long 和 double是64位的,这一点是毋庸置疑的。

所以上述8种操作,在面对long类型和double类型的时候,有4种操作read load store write是需要连续执行两次的。虽然JVM中,虽然是允许读取64位数据不是原子操作,但是在商用的JVM中,这些操作都是原子的

而且JVM规范里,强烈“建议”将读取和存放
64位数据的操作做成原子操作的。所以……另外,多核心处理器中的同一个变量缓存也不是及时同步的,即使有个byte,使用时也会加锁。

附上JVM规范和R大在知乎上的回答:

JVM规范:17.7. Non-atomic Treatment of double and long

R大的回答截取: 简单说就是规范说的是:

  • 实现对普通long与double的读写不要求是原子的(但如果实现为原子操作也OK)
  • 实现对volatile long与volatile double的读写必须是原子的

(64位JVM的long和double读写也不是原子操作么? – RednaxelaFX的回答 –
知乎
)

如果想亲自试一试,可以看看:证明32位java对long和double的写操作不是原子性的

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总结以上只是对内存结构和部分读写规则的总结笔记,线程是java必过的硬指标,后面再更新新的学习笔记。

by:zing

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