深入理解 Java内存模型的必要性

发布时间：2023-04-21 15:30:12 所属栏目：教程来源：

导读：Java 内存模型（JMM）是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述了一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段、静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。试图屏蔽各种硬件和操作系统的内存访

Java 内存模型（JMM）是一种抽象的概念，并不真实存在，它描述了一组规则或规范，通过这组规范定义了程序中各个变量（包括实例字段、静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。试图屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

注意JMM与JVM内存区域划分的区别：

JMM描述的是一组规则，围绕原子性、有序性和可见性展开；

相似点：存在共享区域和私有区域

主内存与工作内存
处理器上的寄存器的读写的速度比内存快几个数量级，为了解决这种速度矛盾，在它们之间加入了高速缓存。

加入高速缓存带来了一个新的问题：缓存一致性。如果多个缓存共享同一块主内存区域，那么多个缓存的数据可能会不一致，需要一些协议来解决这个问题。

怎么深入理解Java内存模型JMM

所有的变量都存储在主内存中，每个线程还有自己的工作内存，工作内存存储在高速缓存或者寄存器中，保存了该线程使用的变量的主内存副本拷贝。

线程只能直接操作工作内存中的变量，不同线程之间的变量值传递需要通过主内存来完成。

怎么深入理解Java内存模型JMM

数据存储类型以及操作方式
方法中的基本类型本地变量将直接存储在工作内存的栈帧结构中；

引用类型的本地变量：引用存储在工作内存，实际存储在主内存；

成员变量、静态变量、类信息均会被存储在主内存中；

主内存共享的方式是线程各拷贝一份数据到工作内存中，操作完成后就刷新到主内存中。

内存间交互操作
Java 内存模型定义了 8 个操作来完成主内存和工作内存的交互操作。

怎么深入理解Java内存模型JMM

read：把一个变量的值从主内存传输到工作内存中

load：在 read 之后执行，把 read 得到的值放入工作内存的变量副本中

use：把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎

assign：把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量

store：把工作内存的一个变量的值传送到主内存中

write：在 store 之后执行，把 store 得到的值放入主内存的变量中

lock：作用于主内存的变量

unlock

指令重排序的条件
在单线程环境下不能改变程序的运行结果；

存在数据依赖关系的不允许重排序；

无法通过Happens-before原则推到出来的，才能进行指令的重排序。

内存模型三大特性
1. 原子性
Java 内存模型保证了 read、load、use、assign、store、write、lock 和 unlock 操作具有原子性，例如对一个 int 类型的变量执行 assign 赋值操作，这个操作就是原子性的。但是 Java 内存模型允许虚拟机将没有被 volatile 修饰的 64 位数据（long，double）的读写操作划分为两次 32 位的操作来进行，即 load、store、read 和 write 操作可以不具备原子性。

有一个错误认识就是，int 等原子性的类型在多线程环境中不会出现线程安全问题。前面的线程不安全示例代码中，cnt 属于 int 类型变量，1000 个线程对它进行自增操作之后，得到的值为 997 而不是 1000。

为了方便讨论，将内存间的交互操作简化为 3 个：load、assign、store。

下图演示了两个线程同时对 cnt 进行操作，load、assign、store 这一系列操作整体上看不具备原子性，那么在 T1 修改 cnt 并且还没有将修改后的值写入主内存，T2 依然可以读入旧值。可以看出，这两个线程虽然执行了两次自增运算，但是主内存中 cnt 的值最后为 1 而不是 2。因此对 int 类型读写操作满足原子性只是说明 load、assign、store 这些单个操作具备原子性。

怎么深入理解Java内存模型JMM

AtomicInteger 能保证多个线程修改的原子性。

怎么深入理解Java内存模型JMM

使用 AtomicInteger 重写之前线程不安全的代码之后得到以下线程安全实现：

public class AtomicExample { private AtomicInteger cnt = new AtomicInteger(); public void add() {
cnt.incrementAndGet();
} public int get() { return cnt.get();
}
}复制代码
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threadSize = 1000;
AtomicExample example = new AtomicExample(); // 只修改这条语句
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
executorService.execute(() -> {
example.add();
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
executorService.shutdown();
System.out.println(example.get());
}复制代码
1000复制代码
除了使用原子类之外，也可以使用 synchronized 互斥锁来保证操作的原子性。它对应的内存间交互操作为：lock 和 unlock，在虚拟机实现上对应的字节码指令为 monitorenter 和 monitorexit。

public class AtomicSynchronizedExample { private int cnt = 0; public synchronized void add() {
cnt++;
} public synchronized int get() { return cnt;
}
}复制代码
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threadSize = 1000;
AtomicSynchronizedExample example = new AtomicSynchronizedExample();
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadSize);
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); for (int i = 0; i < threadSize; i++) {
executorService.execute(() -> {
example.add();
countDownLatch.countDown();
});
} countDownLatch.await(); executorService.shutdown(); System.out.println(example.get());

（编辑：汽车网）

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