java多线程-内存模型

并发处理的普遍应用是使得amdahl定律代替摩尔定律成为计算机性能发展源动力的根本缘由，是人类压榨计算机运算能力的最有力武器。

上一篇《java 多线程—线程怎么来的 》中咱们了解了线程在操做系统中的是如何派生出来的，这一篇咱们聊聊jvm的内存模型，了解一些jvm在内存操做中如何保证一致性问题的。

本篇主要包含如下内容:

     硬件的内存模型

     jvm的内存模型

     happens-before

 

硬件的内存模型

物理机并发处理的方案对于jvm的内存模型实现，也有很大的参考做用，毕竟jvm也是在硬件层上来作事情，底层架构也决定了上层的建筑建模方式。

计算机并发并不是只是多个处理器都参与进来计算就能够了，会牵扯到一些列硬件的问题，最直接的就是要和内存作交互。但计算机的存储设备与处理器的预算速度相差太大，彻底不能知足处理器的处理速度，怎么办，这就是后续加入的一层读写速度接近处理器运算速度的高速缓存来做为处理器和内存之间的缓冲。

高速缓存一边把使用的数据，从内存复制搬入，方便处理器快速运算，一边把运算后的数据，再同步到主内存中，如此处理器就无需等待了。

高速缓存虽然解决了处理器和内存的矛盾，但也为计算机带来了另外一个问题：缓存一致性。特别是当多个处理器都涉及到同一块主内存区域的时候，将可能会致使各自的缓存数据不一致。

那么出现不一致状况的时候，以谁的为准？

为了解决这个问题，处理器和内存之间的读写的时候须要遵循必定的协议来操做，这类协议有：MSI、MESI、MOSI、Synapse、Firefly 以及 Dragon Protocol等。这就是上图中处理器、高速缓存、以及内存之间的处理方式。

另外除了高速缓存以外，为了充分利用处理器，处理器还会把输入的指令码进行乱序执行优化，只要保证输出一致，输入的信息能够乱序执行重组，因此程序中的语句计算顺序和输入代码的顺序并不是一致。

 

JVM内存模型

上面咱们了解了硬件的内存模型，以此为借鉴，咱们看看jvm的内存模型。

 

 

jvm定义的一套java内存模型为了可以跨平台达到一致的内存访问效果，从而屏蔽掉了各类硬件和操做系统的内存访问差别。这点和c和c++并不同，C和C++会直接使用物理硬件和操做系统的内存模型来处理，因此在各个平台上会有差别，这一点java不会。

java的内存模型规定了全部的变量都存储在主内存中，每一个线程拥有本身的工做内存，工做内存保存了该线程使用到的变量的主内存拷贝，线程对变量全部操做，读取，赋值，都必须在工做内存中进行，不能直接写主内存变量，线程间变量值的传递均须要主内存来完成。

 

内存交互

一个变量如何从主内存拷贝到工做内存，而后发生改变又从工做内存同步到主内存的，jvm定义了8中操做来完成，并保证每一种操做都是原子的。咱们来看看有那些操做。

上图就是一个变量从主内存到工做内存，通过使用和赋值以后，又同步到主内存之中。

 

读取：

一、read：读取主内存的变量，传送到工做内存中。

二、load： 把刚读取的变量，放入到工做内存的变量副本中。

 

修改：

三、use：把工做内存变量的值传递给执行引擎

四、assign： 把执行引擎收到的值赋值给工做内存的变量

 

写入：

五、store：把工做内存的变量传送会主内存中

六、write：把刚store的变量放入到主内存中

 

锁定：

除了以上三种分类，还有锁定操做，用来处理线程独占状态。

lock：把主内存的一个变量锁定。

unlock: 把主内存内，lock的变量释放解锁,释放后能够被其余线程访问。

 

若是把变量从主变量复制到工做内存中，就要顺序的执行read和load操做，若是要把变量从工做内存同步回主内存，就要顺序的执行strore和write操做，不容许read和load、store和write操做之一单独出现，也不容许一个线程丢弃assign操做，也就是改变后必须同步到主内存中。

另外还有有些其余的规则，好比变量不容许在工做线程中诞生，只能够在主内存中诞生，因此方法内的局部变量也是在主内存中初始化的，并不是在工做线程中诞生。如此的多的规则，要记住不容易，下面讲到的happen-before会将这些规则整合一块儿，相信看完happen-before以后，会加深理解。

 

特征

变量从诞生到赋值再回写，这么简单的一个过程要分解为8个操做，目的是为了让内存在高速读取的同时，也能保持数据的一致性。

jvm内存模型是围绕着并发过程当中如何处理原子性、可见性和有序性来创建的，咱们看下这三个特征。

 

原子性：

jvm内存模型中直接保证的原子变量操做包括read、load、assign、use、store、write，基本数据的访问读写都是具有原子性的。这就解释了为什么多线程下对变量赋值操做不是安全的，由于一个赋值会包含5个操做。

若是要保持原子性，jvm提供了lock和unlock，这个直接在代码层就是synchronized关键字，拥有synchronized关键字的同步块，在对数据操做的时候，线程会先对变量lock，等操做完了在unlock，如此也具有原子操做了。

 

可见性：

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其余线程能够当即得知 。好比轻同步关键字volatile就能够保证这点，这个下次单独讲。除了volatile，synchronized和final关键字定义的变量，也实现了可见性。其余的就没办法保证了，目前的可共享内存的多处理器架构上，一个线程没法立刻（甚至永远）看到另外一个线程操做产生的结果的。

 

有序性：

前面有讲过，处理器为了加快处理速度，会把执行顺序打乱，只保证结果一致，而不保证顺序一致。这就是指令的重排序。

具体的编译器实现能够产生任意它喜欢的代码 -- 只要全部执行这些代码产生的结果，可以和内存模型预测的结果保持一致。这为编译器实现者提供了很大的自由，包括操做的重排序。

jvm对定义了volatile和synchronize的关键变量，能够保证操做的有序性，好比禁止指令重排序，保证线程之间的操做有序，让一个变量在同一时刻只能有个线程对其lock操做。

 

happens-before

 

前面铺垫了这么多的基础知识，一直没有讲到jvm到底是如何并发期间，保证对定义有synchronize和volatile变量的一致性？

happen-before，是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，依靠这个原则，咱们能够一揽子解决并发环境下两个操做是否可能存在冲突的全部问题。

 

咱们先看规则:

1. 程序次序法则：若是在程序中，全部动做 A 出如今动做 B 以前，则线程中的每动做 A 都 happens-before 于该线程中的每个动做 B。
2. 监视器锁法则：对一个监视器的解锁 happens-before 于每一个后续对同一监视器的加锁。
3. Volatile 变量法则：对 Volatile 域的写入操做 happens-before 于每一个后续对同一 Volatile 的读操做。
4. 传递性：若是 A happens-before 于 B，且 B happens-before C，则 A happens-before C。
5. 线程启动规则: thread对象的start（）方法线性发生与此线程每一个动做。
6. 线程终止规则:线程中的全部操做都线性发生对此线程的终止检测。
7. 线程中断规则:对线程interrupt()方法的调用先行发生与被中断线程的代码检测。
8. 对象终结规则:一个对象的初始化完成线性发生于finalize()。

 

目前咱们只关注前4个就能够了，后续的用到了再聊。volatile咱们此次仍是先不聊，咱们总结一下一、二、4，很明显是讲一个对一个同步块内的逻辑进行串行化操做，看下示例

int count = 0;

public synchronized void increCount() {
   count++;
}

 

上例子中咱们对increCount方法进行了同步处理，那么好比咱们有线程A、B、C同时调用这个方法会怎样处理?

 

从上图中咱们能够看到，对于increCount来讲，多个线程对其调用在jvm这里是线性串行执行的，A中线程的监视器是this(当前对象)，A中的监视器的解锁 happens-before 与B线程的，若是同步中有两个方法 a，b那么ab的顺序也是确认的。

 

因此说，时间前后顺序与happens-before 原则没有太大关系，咱们衡量并不是安全问题4的时候一切能够依据线性发生原则为准。

下一篇咱们着重聊聊happens-before的应用问题，欢迎来看。

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