Java併發編程（四）-- Java內存模型

Java內存模型

前面講到了Java線程之間的通訊採用的是共享內存模型，這裏提到的共享內存模型指的就是Java內存模型(簡稱JMM)，JMM決定一個線程對共享變量的寫入什麼時候對另外一個線程可見。從抽象的角度來看，JMM定義了線程和主內存之間的抽象關係：線程之間的共享變量存儲在主內存（main memory）中，每一個線程都有一個私有的本地內存（local memory），本地內存中存儲了該線程以讀/寫共享變量的副本。本地內存是JMM的一個抽象概念，並不真實存在。它涵蓋了緩存，寫緩衝區，寄存器以及其餘的硬件和編譯器優化。

Java內存模型即Java Memory Model，簡稱JMM。JMM規範了Java 虛擬機(JVM)在計算機內存(RAM)是如何協同工做的。Java虛擬機是一個完整的計算機虛擬模型，所以這個模型天然也包含一個內存模型——稱爲Java內存模型。也就是說JMM是隸屬於JVM的。原始的Java內存模型存在一些不足，所以Java內存模型在Java1.5時被從新修訂，如今的Java8仍沿用了Java1.5的版本。

若是你想設計表現良好的併發程序，理解Java內存模型是很是重要的。Java內存模型規定了如何和什麼時候能夠看到由其餘線程修改事後的共享變量的值，以及在必須時如何同步的訪問共享變量。例如

從上圖來看，線程A與線程B之間如要通訊的話，必需要經歷下面2個步驟：

•  首先，線程A把本地內存A中更新過的共享變量刷新到主內存中去。
• 而後，線程B到主內存中去讀取線程A以前已更新過的共享變量。

下面經過示意圖來講明這兩個步驟： 

本地內存A和B有主內存中共享變量x的副本，假設初始時，這三個內存中的x值都爲0。線程A在執行時，把更新後的x值（假設值爲1）臨時存放在本身的本地內存A中。當線程A和線程B須要通訊時，線程A首先會把本身本地內存中修改後的x值刷新到主內存中，此時主內存中的x值變爲了1。隨後，線程B到主內存中去讀取線程A更新後的x值，此時線程B的本地內存的x值也變爲了1。

從總體來看，這兩個步驟實質上是線程A在向線程B發送消息，並且這個通訊過程必需要通過主內存，由於JMM經過控制主內存與每一個線程的本地內存之間的交互，來爲Java程序員提供內存可見性保證。

Java內存模型內部原理

Java內存模型只是一個抽象概念，那麼它在Java中具體是怎麼工做的呢？爲了更好的理解上Java內存模型工做方式，下面就JVM對Java內存模型的實現、硬件內存模型及它們之間的橋接作詳細介紹。

Java內存模型把Java虛擬機內部劃分爲線程棧和堆。下圖演示了Java內存模型的邏輯視圖。

每個運行在Java虛擬機裏的線程都擁有本身的線程棧。這個線程棧包含了這個線程調用的方法當前執行點相關的信息。一個線程僅能訪問本身的線程棧。一個線程建立的本地變量對其它線程不可見，僅本身可見。即便兩個線程執行一樣的代碼，這兩個線程任然在在本身的線程棧中的代碼來建立本地變量。所以，每一個線程擁有每一個本地變量的獨有版本。

全部原始類型的本地變量都存放在線程棧上，所以對其它線程不可見。一個線程可能向另外一個線程傳遞一個原始類型變量的拷貝，可是它不能共享這個原始類型變量自身。

堆上包含在Java程序中建立的全部對象，不管是哪個對象建立的。這包括原始類型的對象版本。若是一個對象被建立而後賦值給一個局部變量，或者用來做爲另外一個對象的成員變量，這個對象任然是存放在堆上。

下面這張圖演示了調用棧和本地變量存放在線程棧上，對象存放在堆上。

一個本地變量多是原始類型，在這種狀況下，它老是「呆在」線程棧上。

一個本地變量也多是指向一個對象的一個引用。在這種狀況下，引用（這個本地變量）存放在線程棧上，可是對象自己存放在堆上。

一個對象可能包含方法，這些方法可能包含本地變量。這些本地變量任然存放在線程棧上，即便這些方法所屬的對象存放在堆上。

一個對象的成員變量可能隨着這個對象自身存放在堆上。無論這個成員變量是原始類型仍是引用類型。

靜態成員變量跟隨着類定義一塊兒也存放在堆上。

存放在堆上的對象能夠被全部持有對這個對象引用的線程訪問。當一個線程能夠訪問一個對象時，它也能夠訪問這個對象的成員變量。若是兩個線程同時調用同一個對象上的同一個方法，它們將會都訪問這個對象的成員變量，可是每個線程都擁有這個本地變量的私有拷貝。以下圖：

兩個線程擁有一些列的本地變量。其中一個本地變量（Local Variable 2）執行堆上的一個共享對象（Object 3）。這兩個線程分別擁有同一個對象的不一樣引用。這些引用都是本地變量，所以存放在各自線程的線程棧上。這兩個不一樣的引用指向堆上同一個對象。

注意，這個共享對象（Object 3）持有Object2和Object4一個引用做爲其成員變量（如圖中Object3指向Object2和Object4的箭頭）。經過在Object3中這些成員變量引用，這兩個線程就能夠訪問Object2和Object4。

這張圖也展現了指向堆上兩個不一樣對象的一個本地變量。在這種狀況下，指向兩個不一樣對象的引用不是同一個對象。理論上，兩個線程均可以訪問Object1和Object5，若是兩個線程都擁有兩個對象的引用。可是在上圖中，每個線程僅有一個引用指向兩個對象其中之一。

什麼類型的Java代碼會致使上面的內存圖呢？

public class MyRunnable implements Runnable() {

    public void run() {
        methodOne();
    }

    public void methodOne() {
        int localVariable1 = 45;

        MySharedObject localVariable2 =
            MySharedObject.sharedInstance;

        //... do more with local variables.

        methodTwo();
    }

    public void methodTwo() {
        Integer localVariable1 = new Integer(99);

        //... do more with local variable.
    }
}


public class MySharedObject {

    //static variable pointing to instance of MySharedObject

    public static final MySharedObject sharedInstance =
        new MySharedObject();


    //member variables pointing to two objects on the heap

    public Integer object2 = new Integer(22);
    public Integer object4 = new Integer(44);

    public long member1 = 12345;
    public long member1 = 67890;
}

若是兩個線程同時執行run()方法，就會出現上圖所示的情景。run()方法調用methodOne()方法，methodOne()調用methodTwo()方法。

methodOne()聲明瞭一個原始類型的本地變量和一個引用類型的本地變量。

每一個線程執行methodOne()都會在它們對應的線程棧上建立localVariable1和localVariable2的私有拷貝。localVariable1變量彼此徹底獨立，僅「生活」在每一個線程的線程棧上。一個線程看不到另外一個線程對它的localVariable1私有拷貝作出的修改。

每一個線程執行methodOne()時也將會建立它們各自的localVariable2拷貝。然而，兩個localVariable2的不一樣拷貝都指向堆上的同一個對象。代碼中經過一個靜態變量設置localVariable2指向一個對象引用。僅存在一個靜態變量的一份拷貝，這份拷貝存放在堆上。所以，localVariable2的兩份拷貝都指向由MySharedObject指向的靜態變量的同一個實例。MySharedObject實例也存放在堆上。它對應於上圖中的Object3。

MySharedObject類也包含兩個成員變量。這些成員變量隨着這個對象存放在堆上。這兩個成員變量指向另外兩個Integer對象。這些Integer對象對應於上圖中的Object2和Object4.

methodTwo()建立一個名爲localVariable的本地變量。這個成員變量是一個指向一個Integer對象的對象引用。這個方法設置localVariable1引用指向一個新的Integer實例。在執行methodTwo方法時，localVariable1引用將會在每一個線程中存放一份拷貝。這兩個Integer對象實例化將會被存儲堆上，可是每次執行這個方法時，這個方法都會建立一個新的Integer對象，兩個線程執行這個方法將會建立兩個不一樣的Integer實例。methodTwo方法建立的Integer對象對應於上圖中的Object1和Object5。

還有一點，MySharedObject類中的兩個long類型的成員變量是原始類型的。由於，這些變量是成員變量，因此它們任然隨着該對象存放在堆上，僅有本地變量存放在線程棧上。

硬件內存架構

現代硬件內存模型與Java內存模型有一些不一樣。理解內存模型架構以及Java內存模型如何與它協同工做也是很是重要的。這部分描述了通用的硬件內存架構，下面的部分將會描述Java內存是如何與它「聯手」工做的。

一個現代計算機一般由兩個或者多個CPU。其中一些CPU還有多核。從這一點能夠看出，在一個有兩個或者多個CPU的現代計算機上同時運行多個線程是可能的。每一個CPU在某一時刻運行一個線程是沒有問題的。這意味着，若是你的Java程序是多線程的，在你的Java程序中每一個CPU上一個線程可能同時（併發）執行。

每一個CPU都包含一系列的寄存器，它們是CPU內內存的基礎。CPU在寄存器上執行操做的速度遠大於在主存上執行的速度。這是由於CPU訪問寄存器的速度遠大於主存。

每一個CPU可能還有一個CPU緩存層。實際上，絕大多數的現代CPU都有必定大小的緩存層。CPU訪問緩存層的速度快於訪問主存的速度，但一般比訪問內部寄存器的速度還要慢一點。一些CPU還有多層緩存，但這些對理解Java內存模型如何和內存交互不是那麼重要。只要知道CPU中能夠有一個緩存層就能夠了。

一個計算機還包含一個主存。全部的CPU均可以訪問主存。主存一般比CPU中的緩存大得多。

一般狀況下，當一個CPU須要讀取主存時，它會將主存的部分讀到CPU緩存中。它甚至可能將緩存中的部份內容讀到它的內部寄存器中，而後在寄存器中執行操做。當CPU須要將結果寫回到主存中去時，它會將內部寄存器的值刷新到緩存中，而後在某個時間點將值刷新回主存。

當CPU須要在緩存層存放一些東西的時候，存放在緩存中的內容一般會被刷新回主存。CPU緩存能夠在某一時刻將數據局部寫到它的內存中，和在某一時刻局部刷新它的內存。它不會再某一時刻讀/寫整個緩存。一般，在一個被稱做「cache lines」的更小的內存塊中緩存被更新。一個或者多個緩存行可能被讀到緩存，一個或者多個緩存行可能再被刷新回主存。

Java內存模型和硬件內存架構之間的橋接

上面已經提到，Java內存模型與硬件內存架構之間存在差別。硬件內存架構沒有區分線程棧和堆。對於硬件，全部的線程棧和堆都分佈在主內中。部分線程棧和堆可能有時候會出如今CPU緩存中和CPU內部的寄存器中。以下圖所示：

當對象和變量存儲到計算機的各個內存區域時，必然會面臨一些問題，其中最主要的兩個問題是：

• 共享對象對各個線程的可見性
• 共享對象的競爭現象

共享對象的可見性

當多個線程同時操做同一個共享對象時，若是沒有合理的使用volatile和synchronization關鍵字，一個線程對共享對象的更新有可能致使其它線程不可見。

想象一下咱們的共享對象存儲在主存，一個CPU中的線程讀取主存數據到CPU緩存，而後對共享對象作了更改，但CPU緩存中的更改後的對象尚未flush到主存，此時線程對共享對象的更改對其它CPU中的線程是不可見的。最終就是每一個線程最終都會拷貝共享對象，並且拷貝的對象位於不一樣的CPU緩存中。

下圖展現了上面描述的過程。左邊CPU中運行的線程從主存中拷貝共享對象obj到它的CPU緩存，把對象obj的count變量改成2。但這個變動對運行在右邊CPU中的線程不可見，由於這個更改尚未flush到主存中： 

要解決共享對象可見性這個問題，咱們可使用java volatile關鍵字。 Java’s volatile keyword. volatile 關鍵字能夠保證變量會直接從主存讀取，而對變量的更新也會直接寫到主存。volatile原理是基於CPU內存屏障指令實現的，後面會講到。

競爭現象

若是多個線程共享一個對象，若是它們同時修改這個共享對象，這就產生了競爭現象。

以下圖所示，線程A和線程B共享一個對象obj。假設線程A從主存讀取Obj.count變量到本身的CPU緩存，同時，線程B也讀取了Obj.count變量到它的CPU緩存，而且這兩個線程都對Obj.count作了加1操做。此時，Obj.count加1操做被執行了兩次，不過都在不一樣的CPU緩存中。

若是這兩個加1操做是串行執行的，那麼Obj.count變量便會在原始值上加2，最終主存中的Obj.count的值會是3。然而下圖中兩個加1操做是並行的，不論是線程A仍是線程B先flush計算結果到主存，最終主存中的Obj.count只會增長1次變成2，儘管一共有兩次加1操做。 

要解決上面的問題咱們可使用java synchronized代碼塊。synchronized代碼塊能夠保證同一個時刻只能有一個線程進入代碼競爭區，synchronized代碼塊也能保證代碼塊中全部變量都將會從主存中讀，當線程退出代碼塊時，對全部變量的更新將會flush到主存，無論這些變量是否是volatile類型的。

參考資料：

　　http://ifeve.com/java-memory-model-6/

　　http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-1