Java併發以內存模型

Java是一門支持多線程執行的語言，要編寫正確的併發程序，瞭解Java內存模型是重要前提。而瞭解硬件內存模型有助於理解程序的執行。

本文主要整理如下內容

• Java內存模型
• 硬件內存架構
• 共享對象可見性
• 競爭條件

Java內存模型

Java內存模型最新修訂是在Java5。 JSR-176 羅列了 J2SE5.0 相關發佈特性，包含其中的 JSR-133（JavaTM內存模型與線程規範），java虛擬機遵循此規範。延續至今該內存模型在Java8中依然奏效。

JSR 全稱 Java Specification Requests，意爲Java標準化技術規範的正式請求。

Java程序運行在虛擬機上（Jvm）。從邏輯角度看，Jvm內存被劃分爲線程堆棧和堆。每一個線程都擁有本身的堆棧，該線程堆棧存儲的數據不對其它線程可見。堆內存用於存儲共享數據。

線程堆棧存儲方法中全部局部變量，包含原始類型（boolean，byte，short，char，int，long， float，double）和對象引用。

堆存儲須要共享對象和靜態變量。

注意 對象不必定都會存儲到堆內存。看下面例子，假若是Object對象不須要被其它線程共享，編譯器會執行堆分配轉化爲棧分配。

解釋一下，編譯器會根據 對象是否逃逸作出優化。優化的其中一項就是 堆分配轉化爲棧分配，目的在於減輕GC壓力，提高性能。此優化動做由Jvm參數-XX:+DoEscapeAnalysi 進行控制。Java8 默認開啓。

測試：經過開啓或關閉 -XX:+PrintGC -XX:-DoEscapeAnalysis 觀察是否執行GC來判斷對象存儲位置。

public static void main(String[] args){
        for(int i = 0; i < 10000000; i++){
            createObj();
        }
    }
    public static void createObj(){
        new Object();
    }

硬件內存架構

以下圖，現代計算機一般都裝有2個或者更多的CPU，CPU又能夠是多核。一個CPU包含一組寄存器，每一個CPU具備一個高速緩存，而高速緩存又分爲L1，L2，L3，L4 不一樣層級緩存。

RAM爲主存儲也就是咱們說的計算機內存，全部CPU均可以讀取主存儲。

當CPU讀取主存儲數據時，它會將部分主存儲數據讀入CPU高速緩存中，又將緩存的中一部分讀入寄存器執行，操做結束後，將值從寄存器刷新到高速緩存中，高速緩存在特定的時刻將數據統一刷新到內存中。

實際執行

事實上，上面闡述的Java堆棧內存模型是爲了理解抽象出來的。實際執行就像下圖同樣，線程棧和堆的數據可能分散到硬件不一樣的存儲區域。數據分散在不一樣區域會帶來如下兩個主要問題。

共享對象可見性

下面場景兩個線程同時操做對象obj.count，其中一個線程對obj.count進行更新，可是對其它線程不可見。

線程A操做obj時，先從主存裏拷貝一個數據副本到CPU高速緩存，又到寄存器，而後修改obj.count=2後刷新到CPU高速緩存，可是數據暫未同步到主存。以此同時線程B也操做obj，拷貝的數據副本仍然爲obj.count=1，這會致使程序結果錯誤。

解決此問題，可使用Java volatile關鍵字。volatile可簡單理解爲跳過CPU高速緩存，讓修改結果及時同步到主存，從而保證了其它線程讀到最新值。volatile 後期專門介紹。

競爭條件

另一種狀況假若是多個線程同時更行obj.count，這時會發生競爭條件。

解決方法，使用Java synchronized 保證線程執行順序，另外synchronized包裹中的全部變量都直接從主存讀取（跳過CPU高速緩存），而且當線程退出synchronized後，全部更新的變量將同步到主存。

總結

本文記錄Java內存模型，其中主要內容來源於 Jakob Jenkov 大神博客。

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