Ytl's Java Blog

淺談java內(nèi)存模型 

       不同的平臺(tái)，內(nèi)存模型是不一樣的，但是jvm的內(nèi)存模型規(guī)范是統(tǒng)一的。其實(shí)java的多線程并發(fā)問題最終都會(huì)反映在java的內(nèi)存模型上，所謂線程安全無 非是要控制多個(gè)線程對(duì)某個(gè)資源的有序訪問或修改。總結(jié)java的內(nèi)存模型，要解決兩個(gè)主要的問題：可見性和有序性。我們都知道計(jì)算機(jī)有高速緩存的存在，處 理器并不是每次處理數(shù)據(jù)都是取內(nèi)存的。JVM定義了自己的內(nèi)存模型，屏蔽了底層平臺(tái)內(nèi)存管理細(xì)節(jié)，對(duì)于java開發(fā)人員，要清楚在jvm內(nèi)存模型的基礎(chǔ) 上，如果解決多線程的可見性和有序性。
       那么，何謂可見性？ 多個(gè)線程之間是不能互相傳遞數(shù)據(jù)通信的，它們之間的溝通只能通過共享變量來進(jìn)行。Java內(nèi)存模型（JMM）規(guī)定了jvm有主內(nèi)存，主內(nèi)存是多個(gè)線程共享 的。當(dāng)new一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，也是被分配在主內(nèi)存中，每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存，工作內(nèi)存存儲(chǔ)了主存的某些對(duì)象的副本，當(dāng)然線程的工作內(nèi)存大小是有限制 的。當(dāng)線程操作某個(gè)對(duì)象時(shí)，執(zhí)行順序如下：
 (1) 從主存復(fù)制變量到當(dāng)前工作內(nèi)存 (read and load)
 (2) 執(zhí)行代碼，改變共享變量值 (use and assign)
 (3) 用工作內(nèi)存數(shù)據(jù)刷新主存相關(guān)內(nèi)容 (store and write)

JVM規(guī)范定義了線程對(duì)主存的操作指 令：read，load，use，assign，store，write。當(dāng)一個(gè)共享變量在多個(gè)線程的工作內(nèi)存中都有副本時(shí)，如果一個(gè)線程修改了這個(gè)共享 變量，那么其他線程應(yīng)該能夠看到這個(gè)被修改后的值，這就是多線程的可見性問題。
        那么，什么是有序性呢 ？線程在引用變量時(shí)不能直接從主內(nèi)存中引用,如果線程工作內(nèi)存中沒有該變量,則會(huì)從主內(nèi)存中拷貝一個(gè)副本到工作內(nèi)存中,這個(gè)過程為read-load,完 成后線程會(huì)引用該副本。當(dāng)同一線程再度引用該字段時(shí),有可能重新從主存中獲取變量副本(read-load-use),也有可能直接引用原來的副本 (use),也就是說 read,load,use順序可以由JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決定。
        線程不能直接為主存中中字段賦值，它會(huì)將值指定給工作內(nèi)存中的變量副本(assign),完成后這個(gè)變量副本會(huì)同步到主存儲(chǔ)區(qū)(store- write)，至于何時(shí)同步過去，根據(jù)JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決定.有該字段,則會(huì)從主內(nèi)存中將該字段賦值到工作內(nèi)存中,這個(gè)過程為read-load,完成后線 程會(huì)引用該變量副本，當(dāng)同一線程多次重復(fù)對(duì)字段賦值時(shí),比如：
Java代碼 
for(int i=0;i<10;i++)   
 a++;  
線程有可能只對(duì)工作內(nèi)存中的副本進(jìn)行賦值,只到最后一次賦值后才同步到主存儲(chǔ)區(qū)，所以assign,store,weite順序可以由JVM實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)決 定。假設(shè)有一個(gè)共享變量x，線程a執(zhí)行x=x+1。從上面的描述中可以知道x=x+1并不是一個(gè)原子操作，它的執(zhí)行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內(nèi)存
2 給x加1
3 將x加1后的值寫回主 存
如果另外一個(gè)線程b執(zhí)行x=x-1，執(zhí)行過程如下：
1 從主存中讀取變量x副本到工作內(nèi)存
2 給x減1
3 將x減1后的值寫回主存 
那么顯然，最終的x的值是不可靠的。假設(shè)x現(xiàn)在為10，線程a加1，線程b減1，從表面上看，似乎最終x還是為10，但是多線程情況下會(huì)有這種情況發(fā)生：
1：線程a從主存讀取x副本到工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中x值為10
2：線程b從主存讀取x副本到工作內(nèi)存，工作內(nèi)存中x值為10
3：線程a將工作內(nèi)存中x加1，工作內(nèi)存中x值為11
4：線程a將x提交主存中，主存中x為11
5：線程b將工作內(nèi)存中x值減1，工作內(nèi)存中x值為9
6：線程b將x提交到中主存中，主存中x為

所謂線程的“工作內(nèi)存”到底是個(gè)什么東西？有的人認(rèn)為是線程的棧，其實(shí)這種理解是不正確的。看看JLS（java語言規(guī)范）對(duì)線程工作 內(nèi)存的描述，線程的working memory只是cpu的寄存器和高速緩存的抽象描述。

      可能 很多人都覺得莫名其妙，說JVM的內(nèi)存模型，怎么會(huì)扯到cpu上去呢？在此，我認(rèn)為很有必要闡述下，免 得很多人看得不明不白的。先拋開java虛擬機(jī)不談，我們都知道，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，cpu在計(jì)算的時(shí)候，并不總是從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，它的數(shù)據(jù)讀取順序優(yōu)先級(jí) 是：寄存器－高速緩存－內(nèi)存。線程耗費(fèi)的是CPU，線程計(jì)算的時(shí)候，原始的數(shù)據(jù)來自內(nèi)存，在計(jì)算過程中，有些數(shù)據(jù)可能被頻繁讀取，這些數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在寄存器 和高速緩存中，當(dāng)線程計(jì)算完后，這些緩存的數(shù)據(jù)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候應(yīng)該寫回內(nèi)存。當(dāng)個(gè)多個(gè)線程同時(shí)讀寫某個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生多線程并發(fā)問題，涉及到三個(gè)特 性：原子性，有序性，可見性。在《線程安全總結(jié)》這篇文章中，為了理解方便，我把原子性和有序性統(tǒng)一叫做“多線程執(zhí)行有序性”。支持多線程的平臺(tái)都會(huì)面臨 這種問題，運(yùn)行在多線程平臺(tái)上支持多線程的語言應(yīng)該提供解決該問題的方案。

      synchronized, volatile,鎖機(jī)制（如同步塊，就緒隊(duì) 列，阻塞隊(duì)列）等等。這些方案只是語法層面的，但我們要從本質(zhì)上去理解它，不能僅僅知道一個(gè) synchronized 可以保證同步就完了。   在這里我說的是jvm的內(nèi)存模型，是動(dòng)態(tài)的，面向多線程并發(fā)的，沿襲JSL的“working memory”的說法，只是不想牽扯到太多底層細(xì)節(jié)，因?yàn)?《線程安全總結(jié)》這篇文章意在說明怎樣從語法層面去理解java的線程同步，知道各個(gè)關(guān)鍵字的使用場(chǎng) 景。

說說JVM的eden區(qū)吧。JVM的內(nèi)存，被劃分了很多的區(qū)域：

1.程序計(jì)數(shù)器
每一個(gè)Java線程都有一個(gè)程序計(jì)數(shù)器來用于保存程序執(zhí)行到當(dāng)前方法的哪一個(gè)指令。
2.線程棧
線程的每個(gè)方法被執(zhí)行的時(shí)候，都會(huì)同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)幀（Frame）用于存儲(chǔ)本地變量表、操作棧、動(dòng)態(tài)鏈接、方法出入口等信息。每一個(gè)方法的調(diào)用至完成，就意味著一個(gè)幀在VM棧中的入棧至出棧的過程。如果線程請(qǐng)求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果VM棧可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展（VM Spec中允許固定長(zhǎng)度的VM棧），當(dāng)擴(kuò)展時(shí)無法申請(qǐng)到足夠內(nèi)存則拋出OutOfMemoryError異常。
3.本地方法棧
4.堆
每個(gè)線程的棧都是該線程私有的，堆則是所有線程共享的。當(dāng)我們new一個(gè)對(duì)象時(shí)，該對(duì)象就被分配到了堆中。但是堆，并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念，堆區(qū)又劃分了很多區(qū)域，為什么堆劃分成這么多區(qū)域，這是為了JVM的內(nèi)存垃圾收集，似乎越扯越遠(yuǎn)了，扯到垃圾收集了，現(xiàn)在的jvm的gc都是按代收集，堆區(qū)大致被分為三大塊：新生代，舊生代，持久代（虛擬的）；新生代又分為eden區(qū)，s0區(qū)，s1區(qū)。新建一個(gè)對(duì)象時(shí)，基本小的對(duì)象，生命周期短的對(duì)象都會(huì)放在新生代的eden區(qū)中，eden區(qū)滿時(shí)，有一個(gè)小范圍的gc（minor gc），整個(gè)新生代滿時(shí)，會(huì)有一個(gè)大范圍的gc（major gc），將新生代里的部分對(duì)象轉(zhuǎn)到舊生代里。
5.方法區(qū) 
其實(shí)就是永久代（Permanent Generation），方法區(qū)中存放了每個(gè)Class的結(jié)構(gòu)信息，包括常量池、字段描述、方法描述等等。VM Space描述中對(duì)這個(gè)區(qū)域的限制非常寬松，除了和Java堆一樣不需要連續(xù)的內(nèi)存，也可以選擇固定大小或者可擴(kuò)展外，甚至可以選擇不實(shí)現(xiàn)垃圾收集。相對(duì)來說，垃圾收集行為在這個(gè)區(qū)域是相對(duì)比較少發(fā)生的，但并不是某些描述那樣永久代不會(huì)發(fā)生GC（至 少對(duì)當(dāng)前主流的商業(yè)JVM實(shí)現(xiàn)來說是如此），這里的GC主要是對(duì)常量池的回收和對(duì)類的卸載，雖然回收的“成績(jī)”一般也比較差強(qiáng)人意，尤其是類卸載，條件相當(dāng)苛刻。
6.常量池
 Class文件中除了有類的版本、字段、方法、接口等描述等信息外，還有一項(xiàng)信息是常量表(constant_pool table)，用于存放編譯期已可知的常量，這部分內(nèi)容將在類加載后進(jìn)入方法區(qū)（永久代）存放。但是Java語言并不要求常量一定只有編譯期預(yù)置入Class的常量表的內(nèi)容才能進(jìn)入方法區(qū)常量池，運(yùn)行期間也可將新內(nèi)容放入常量池（最典型的String.intern()方法）。