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  • JMM内存模型

    千次阅读 2021-05-10 11:41:03
    那么说说你对JMM内存模型的理解?为什么需要JMM(保障程序在不同jvm,以及操作系统和硬件上执行结果一致)? JMM:JAVA内存模型,不存在的东西,是一个概念,也是一个约定! 原因: 本身随着CPU和内存的发展速度...

    那么说说你对JMM内存模型的理解?为什么需要JMM(保障程序在不同jvm,以及操作系统和硬件上执行结果一致)?

    JMM:JAVA内存模型,不存在的东西,是一个概念,也是一个约定!

    原因:

    本身随着CPU和内存的发展速度差异的问题,导致CPU的速度远快于内存,所以现在的CPU加入了高速缓存,高速缓存一般可以分为L1、L2、L3三级缓存。基于上面的例子我们知道了这导致了缓存一致性的问题,所以加入了缓存一致性协议,同时导致了内存可见性的问题,而编译器和CPU的重排序导致了原子性和有序性的问题,JMM内存模型正是对多线程操作下的一系列规范约束,因为不可能让陈雇员的代码去兼容所有的CPU,通过JMM我们才屏蔽了不同硬件和操作系统内存的访问差异,这样保证了Java程序在不同的平台下达到一致的内存访问效果,同时也是保证在高效并发的时候程序能够正确执行。为了获得更好的执行效能,Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互,也没有限制即时编译器是否要进行调整代码执行顺序这类优化措施。

    目的:

    《Java虚拟机规范》[1]中曾试图定义一种“Java内存模型”[2](Java Memory Model,JMM)来屏 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。在此之前,主流程序语言(如C和C++等)直接使用物理硬件和操作系统的内存模型。因此,由于不同平台上内存模型的差异,有可能导致程序在一套平台上并发完全正常,而在另外一套平台上并发 访问却经常出错,所以在某些场景下必须针对不同的平台来编写程序。

     

     

    手段:

    原子性:Java内存模型通过read、load、assign、use、store、write来保证原子性操作,此外还有lock和unlock,直接对应着synchronized关键字的monitorenter和monitorexit字节码指令。

    可见性:可见性的问题在上面的回答已经说过,Java保证可见性可以认为通过volatile、synchronized、final来实现。

    有序性:由于处理器和编译器的重排序导致的有序性问题,Java通过volatile、synchronized来保证。

    happen-before规则

    虽然指令重排提高了并发的性能,但是Java虚拟机会对指令重排做出一些规则限制,并不能让所有的指令都随意的改变执行位置,主要有以下几点:

    1. 单线程每个操作,happen-before于该线程中任意后续操作
    2. volatile写happen-before与后续对这个变量的读
    3. synchronized解锁happen-before后续对这个锁的加锁
    4. final变量的写happen-before于final域对象的读,happen-before后续对final变量的读
    5. 传递性规则,A先于B,B先于C,那么A一定先于C发生

     

     

    说了半天,到底工作内存和主内存是什么?

    主内存可以认为就是物理内存,Java内存模型中实际就是虚拟机内存的一部分。而工作内存就是CPU缓存,他有可能是寄存器也有可能是L1\L2\L3缓存,都是有可能的。

    Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则,即关注在虚拟机中把变量值存储到 内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。此处的变量(Variables)与Java编程中所说的变量有所区 别,它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素,但是不包括局部变量与方法参数,因为后者是线程私有的[1],不会被共享,自然就不会存在竞争问题。为了获得更好的执行效能,Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互,也没有限制即时编译器是否要进行调整代码执行顺序这类优化措施。

    Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中(此处的主内存与介绍物理 硬件时提到的主内存名字一样,两者也可以类比,但物理上它仅是虚拟机内存的一部分)。每条线程 还有自己的工作内存(Working M emory ,可与前面讲的处理器高速缓存类比),线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本[2],线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的数据[3]。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成,线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图12- 2所示,注意与图12-1进行对比。

    图12-2 线程、主内存、工作内存三者的交互关系(请与图12-1对比) 这里所讲的主内存、工作内存与第2章所讲的Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一个层次的对内存的划分,这两者基本上是没有任何关系的。如果两者一定要勉强对应起来,那么从变

    量、主内存、工作内存的定义来看,主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分[4],而工作内存 则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更基础的层次上说,主内存直接对应于物理硬件的内存,而为了 获取更好的运行速度,虚拟机(或者是硬件、操作系统本身的优化措施)可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中,因为程序运行时主要访问的是工作内存。 

     

     

    关于JMM的一些同步的约定:

    1、线程解锁前,必须把共享变量立刻刷回主存;

    2、线程加锁前,必须读取主存中的最新值到工作内存中;

    3、加锁和解锁是同一把锁;

    线程中分为 工作内存、主内存

    8种操作:

    • Read(读取):作用于主内存变量,它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用;

    • load(载入):作用于工作内存的变量,它把read操作从主存中变量放入工作内存中;

    • Use(使用):作用于工作内存中的变量,它把工作内存中的变量传输给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值,就会使用到这个指令;

    • assign(赋值):作用于工作内存中的变量,它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中;

    • store(存储):作用于主内存中的变量,它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中,以便后续的write使用;

    • write(写入):作用于主内存中的变量,它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中;

    • lock(锁定):作用于主内存的变量,把一个变量标识为线程独占状态;

    • unlock(解锁):作用于主内存的变量,它把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其他线程锁定;