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  • Java内存模型面试分享

    2021-03-01 12:31:10
    volatile作用:当volatile的值被修改时,其他线程马上会感知到。

     

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  • JVM学习笔记:Java内存模型(JMM) 前言:昨天看了《深入理解Java虚拟机》的第12章,想输出一些内存复习一下Java的内存模型,持续输出文档吧,虽然技术性不是很强。 缓存一致性的问题,如何发生的? 计算机中多个...

    JVM学习笔记:Java内存模型(JMM)

    前言:昨天看了《深入理解Java虚拟机》的第12章,想输出一些内存复习一下Java的内存模型,持续输出文档吧,虽然技术性不是很强。

    缓存一致性的问题,如何发生的?

    计算机中多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时,将可能导致各自的缓存数据不一致,引发缓存一致性的问题。

    什么是Java内存模型,你了解过Java内存模型嘛?

    Java内存模型,规定所有的变量存储在主内存中,每个线程还有自己的工作内存,线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的副本,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。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。

    Java内存中的变量有哪些?

    Java内存模型中的变量和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,不包括局部变量与方法参数。

    volatile变量的两个特性?

    1. 保证此变量对所有线程的可见性,这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量并做不到这一点,普通变量的值在线程间传递时均需要通过主内存来完成。2. volatile 禁止指令重排序优化,避免指令重排序优化。

    基于volatile变量的运算在并发下是线程安全的?

    不一定,volatile变量在各个线程的工作内存是不存在内存一致性的问题,但是Java里面的运算符并非原子操作,这导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。volatile关键字保证了值在当时是正确的,但是在进行运算的时候,其他的线程已经改变了它的值,这是他的值就过期了。

    那种情况下可以使用volatile?

    运算的结果不依赖变量的当前值,或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

    变量被volatile修饰之后和普通变量会有怎么的不同?

    volatile修饰的变量赋值后,多执行了一个lock add 操作,他的作用相当于一个内存屏障,指令重排序不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置。

    变量被volatile修饰的特点?

    1. 每次使用volatile的值,都必须先从主内存刷新最新的值,用于保证能看见其他线程对volatile变量的修改
    2. 每次修改volatile的值,都必须立即同步到主内存中,用于保证其他的线程可以看到自己对volatile变量的修改
    3. volatile修饰的变量不会被指令重排序优化,从而保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。

    Java内存模型的3个特性?

    原子性、可见性与有序性

    讲一讲原子性?

    Java内存模型直接保证了原子性的操作有:read、load、assign、use、store、write,大致可以认为,基本数据类型的访问、读写都是具有原子性的(long和double除外)。如果需要更大范围的原子性保证,Java内存模型提供了lock和unlock来满足这种需求,Java提供更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式的使用这两个操作。这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块–synchronized关键字,因此synchronized块之间的操作也具有原子性。

    讲一讲可见性?

    可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时,其他线程能够立即得知这个修改。volatile的可见性的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存,以及每次使用前立即从主内存刷新。

    Java中保证可见性的有哪些?

    除了volatile,还有synchronized和final。synchronized的可见性是对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存中。final关键字的可见性是被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成,那么其他线程中就能看见final字段的值。

    讲一讲有序性?

    Java内存模型的有序性,如果在本线程内观察,所有操作都是有序的;如果在一个线程中观察另一个线程,所有操作都是无序的。Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性,volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义,而synchronized则是一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作。

    什么是happens-before原则?

    happens-before原则是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系,比如说操作A先行发生操作B,其实就是说在发生操作B之前,操作A产生的影响能被操作B观察到。

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  • 面试官:说说什么是 Java 内存模型(JMM)?

    千次阅读 多人点赞 2021-05-05 23:23:20
    本文禁止转载 1. 为什么要有内存模型...在面试中,面试官经常喜欢问:『说说什么是Java内存模型(JMM)?』 面试者内心狂喜,这题刚背过:『Java内存主要分为五大块:堆、方法区、虚拟机栈、本地方法栈、PC寄存器,ba.

    本文禁止转载

    在面试中,面试官经常喜欢问:『说说什么是Java内存模型(JMM)?』

    面试者内心狂喜,这题刚背过:『Java内存主要分为五大块:堆、方法区、虚拟机栈、本地方法栈、PC寄存器,balabala……』

    面试官会心一笑,露出一道光芒:『好了,今天的面试先到这里了,回去等通知吧』

    一般听到等通知这句话,这场面试大概率就是凉凉了。为什么呢?因为面试者弄错了概念,面试官是想考察JMM,但是面试者一听到Java内存这几个关键字就开始背诵八股文了。Java内存模型(JMM)和Java运行时内存区域区别可大了呢,不要走开接着往下看,答应我要看完。

    1. 为什么要有内存模型?

    要想回答这个问题,我们需要先弄懂传统计算机硬件内存架构。好了,我要开始画图了。

    1.1. 硬件内存架构

    在这里插入图片描述
    (1)CPU

    去过机房的同学都知道,一般在大型服务器上会配置多个CPU,每个CPU还会有多个,这就意味着多个CPU或者多个核可以同时(并发)工作。如果使用Java 起了一个多线程的任务,很有可能每个 CPU 都会跑一个线程,那么你的任务在某一刻就是真正并发执行了。

    (2)CPU Register

    CPU Register也就是 CPU 寄存器。CPU 寄存器是 CPU 内部集成的,在寄存器上执行操作的效率要比在主存上高出几个数量级。

    (3)CPU Cache Memory

    CPU Cache Memory也就是 CPU 高速缓存,相对于寄存器来说,通常也可以成为 L2 二级缓存。相对于硬盘读取速度来说内存读取的效率非常高,但是与 CPU 还是相差数量级,所以在 CPU 和主存间引入了多级缓存,目的是为了做一下缓冲。

    (4)Main Memory

    Main Memory 就是主存,主存比 L1、L2 缓存要大很多。

    注意:部分高端机器还有 L3 三级缓存。

    1.2. 缓存一致性问题

    由于主存与 CPU 处理器的运算能力之间有数量级的差距,所以在传统计算机内存架构中会引入高速缓存来作为主存和处理器之间的缓冲,CPU 将常用的数据放在高速缓存中,运算结束后 CPU 再讲运算结果同步到主存中。

    使用高速缓存解决了 CPU 和主存速率不匹配的问题,但同时又引入另外一个新问题:缓存一致性问题。
    在这里插入图片描述
    在多CPU的系统中(或者单CPU多核的系统),每个CPU内核都有自己的高速缓存,它们共享同一主内存(Main Memory)。当多个CPU的运算任务都涉及同一块主内存区域时,CPU 会将数据读取到缓存中进行运算,这可能会导致各自的缓存数据不一致。

    因此需要每个 CPU 访问缓存时遵循一定的协议,在读写数据时根据协议进行操作,共同来维护缓存的一致性。这类协议有 MSI、MESI、MOSI、和 Dragon Protocol 等。

    1.3. 处理器优化和指令重排序

    为了提升性能在 CPU 和主内存之间增加了高速缓存,但在多线程并发场景可能会遇到缓存一致性问题。那还有没有办法进一步提升 CPU 的执行效率呢?答案是:处理器优化。

    为了使处理器内部的运算单元能够最大化被充分利用,处理器会对输入代码进行乱序执行处理,这就是处理器优化。

    除了处理器会对代码进行优化处理,很多现代编程语言的编译器也会做类似的优化,比如像 Java 的即时编译器(JIT)会做指令重排序。
    在这里插入图片描述

    处理器优化其实也是重排序的一种类型,这里总结一下,重排序可以分为三种类型:

    • 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义放入前提下,可以重新安排语句的执行顺序。
    • 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性,处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
    • 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读写缓冲区,这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

    2. 并发编程的问题

    上面讲了一堆硬件相关的东西,有些同学可能会有点懵,绕了这么大圈,这些东西跟 Java 内存模型有啥关系吗?不要急咱们慢慢往下看。

    熟悉 Java 并发的同学肯定对这三个问题很熟悉:『可见性问题』、『原子性问题』、『有序性问题』。如果从更深层次看这三个问题,其实就是上面讲的『缓存一致性』、『处理器优化』、『指令重排序』造成的。

    在这里插入图片描述
    缓存一致性问题其实就是可见性问题,处理器优化可能会造成原子性问题,指令重排序会造成有序性问题,你看是不是都联系上了。

    出了问题总是要解决的,那有什么办法呢?首先想到简单粗暴的办法,干掉缓存让 CPU 直接与主内存交互就解决了可见性问题,禁止处理器优化和指令重排序就解决了原子性和有序性问题,但这样一夜回到解放前了,显然不可取。

    所以技术前辈们想到了在物理机器上定义出一套内存模型, 规范内存的读写操作。内存模型解决并发问题主要采用两种方式:限制处理器优化使用内存屏障

    3. Java 内存模型

    同一套内存模型规范,不同语言在实现上可能会有些差别。接下来着重讲一下 Java 内存模型实现原理。

    3.1. Java 运行时内存区域与硬件内存的关系

    了解过 JVM 的同学都知道,JVM 运行时内存区域是分片的,分为栈、堆等,其实这些都是 JVM 定义的逻辑概念。在传统的硬件内存架构中是没有栈和堆这种概念。
    在这里插入图片描述
    从图中可以看出栈和堆既存在于高速缓存中又存在于主内存中,所以两者并没有很直接的关系。

    3.2. Java 线程与主内存的关系

    Java 内存模型是一种规范,定义了很多东西:

    • 所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中。
    • 每个线程都有一个私有的本地内存(Local Memory),本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的拷贝副本。
    • 线程对变量的所有操作都必须在本地内存中进行,而不能直接读写主内存。
    • 不同的线程之间无法直接访问对方本地内存中的变量。

    看文字太枯燥了,我又画了一张图:
    在这里插入图片描述

    3.3. 线程间通信

    如果两个线程都对一个共享变量进行操作,共享变量初始值为 1,每个线程都变量进行加 1,预期共享变量的值为 3。在 JMM 规范下会有一系列的操作。
    在这里插入图片描述
    为了更好的控制主内存和本地内存的交互,Java 内存模型定义了八种操作来实现:

    • lock:锁定。作用于主内存的变量,把一个变量标识为一条线程独占状态。
    • unlock:解锁。作用于主内存变量,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。
    • read:读取。作用于主内存变量,把一个变量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操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
    • use:使用。作用于工作内存的变量,把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
    • assign:赋值。作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
    • store:存储。作用于工作内存的变量,把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中,以便随后的write的操作。
    • write:写入。作用于主内存的变量,它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

    注意:工作内存也就是本地内存的意思。

    4. 有态度的总结

    由于CPU 和主内存间存在数量级的速率差,想到了引入了多级高速缓存的传统硬件内存架构来解决,多级高速缓存作为 CPU 和主内间的缓冲提升了整体性能。解决了速率差的问题,却又带来了缓存一致性问题。

    数据同时存在于高速缓存和主内存中,如果不加以规范势必造成灾难,因此在传统机器上又抽象出了内存模型。

    Java 语言在遵循内存模型的基础上推出了 JMM 规范,目的是解决由于多线程通过共享内存进行通信时,存在的本地内存数据不一致、编译器会对代码指令重排序、处理器会对代码乱序执行等带来的问题。

    为了更精准控制工作内存和主内存间的交互,JMM 还定义了八种操作:lock, unlock, read, load,use,assign, store, write

    – End –

    关于Java 内存模型还有很多东西没有展开讲,比如说:内存屏障happens-before锁机制CAS等等。要肝一个系列了,加油!

    作者:雷小帅

    推荐一个Github 开源项目,『Java八股文』Java面试套路,Java进阶学习,打破内卷拿大厂Offer,升职加薪!https://github.com/CoderLeixiaoshuai/java-eight-part

    作者简介: ☕读过几年书:华中科技大学硕士毕业;
    😂浪过几个大厂:华为、网易、百度……
    😘一直坚信技术能改变世界,愿保持初心,加油技术人!

    微信搜索公众号【爱笑的架构师】,关注这个对技术有追求且有趣的打工人。

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    什么是Java内存模型?(重点)

    c语言没有内存模型, 在多核情况下表现不一致.
    有三种概念, JVM内存结构, Java对象模型, Java内存模型.
    JVM内存结构, Java对象模型可以点击下面的链接查看.
    JVM内存结构, Java对象模型
    JMM Java内存模型可以点击下面的链接.
    JMM Java内存模型
    重排序 可见性 原子性 是JMM最主要的体现,也是最重要的内容.
    可以讲讲重排序的例子和好处.
    重点放在可见性上, 讲讲JMM的抽象, 抽象成了主内存和工作内存这两块.
    再可以讲讲happens-before九大规则
    happens-before九大规则
    接着可以讲讲volatile关键字. volatile的适用场合 , 以及和synchronized的关系 .
    synchronized不仅仅保证原子性, 并且保证可见性. 并且把synchronized附近的代码, 都可以做到同步的效果.
    接着讲讲原子性
    原子性介绍 ,Java中的原子性

    volatile和synchronized的异同

    volatile和synchronized的异同

    原子性

    什么是原子性, Java中有哪些原子性操作, 生成对象的过程是不是原子性操作,
    原子性介绍 ,Java中的原子性

    生成对象不是原子性操作

    64位的double 和long 写入的时候一定是原子的吗?
    Java中没有规定一定是原子性的, 那么在写入的时候, 可能会出现前32位和后32位错位的情况.
    但是在实际的生产环境中, 都是原子性的, 因此在实际的开发中, 不需要对double和long进行额外的保证原子性的操作.

    可见性

    什么是内存可见性?
    可见性demo
    可见性问题出现的原因

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