併發編程之Java內存模型

　　在介紹Java內存模型以前，先來了解一下爲何要有內存模型，以及內存模型是什麼。而後咱們基於對內存模型的瞭解，學習Java內存模型以及併發編程的三大特性。

 

爲何要有內存模型

　　在計算機中，全部的運算操做都是由CPU的寄存器來完成的，CPU指令的執行須要涉及到數據的讀寫操做，而CPU只能訪問主存中的數據。隨着技術的發展，CPU的執行速度愈來愈快，而內存的訪問速度沒有太大的變化，致使CU每次操做主存都要等待很長的時間。因而就有了在CPU與主存之間添加緩存的設計。

 

內存模型：CPU　Cache模型

 

　　目前緩存的數量達到了３級，最接近CPU的緩存稱爲L１，而後爲Ｌ２、Ｌ３和主存。因爲程序指令和數據的行爲和熱點分佈差別比較大，所以將L１又細分爲L1i(istruction）、L1d(data)。

 　　CPU的出現是爲了解決CPU直接訪問主存效率低下的問題。程序在運行過程當中，會將運算所需的數據從主存中複製一份到Cache中，這樣CPU在計算時就能夠直接對CPU　Cache中的數據進行讀寫，當運算結束後，再將Cahce中的最新數據刷新到主存中。

 

　　雖然緩存的出現極大地提高了CPU的吞吐能力，可是也致使了緩存不一致的問題。這是由於CPU都是對Cache中的數據進行讀寫，不一樣線程之間的工做內存是相互獨立的，對某個線程工做空間中的數據進行更新，可能會沒法及時同步到其它緩存中。

 

　　爲了保證數據的正確性，內存模型定義了共享內存系統中多線程程序讀寫操做行爲的規範。

 

Java內存模型

    Java內存模型（Java Memory Model ），簡稱JMM，是一種符合內存模型規範的，屏蔽了各類硬件和操做系統的訪問差別的，保證了Java程序在各類平臺下對內存的訪問都能獲得一致效果的機制及規範。其目的是解決多線程經過主內存進行通訊時，存在的原子性、可見性（緩存一致性）以及有序性問題。（關於原子性、可見性（緩存一致性）以及有序性，咱們將會在」併發編程的三大特性「中詳細講解）

 

    JMM決定了一個線程對共享變量的寫入什麼時候對其它線程可見，定義了線程與主存之間的關係：

• 共享變量存儲於主存中，每一個線程均可以訪問
• 每一個線程都有私有的工做內存，也稱爲本地內存
• 工做內存中只存儲共享變量的副本
• 線程不能直接操做主存，只有操做了本地內存後才能寫入主存
• 每個線程都不能訪問其餘線程的本地內存

 

 併發編程的三大特性

  　　併發編程有三大特性：原子性、可見性、有序性。

• • 　　原子性：是指在一次操做或屢次操做中，要麼全部的操做都獲得執行，要麼都不執行。【相似於事務】
    • 　　JMM只保證了基本讀取和賦值的原子性操做
    • 　　多個原子性操做的組合再也不是原子性操做
    • 　　可使用synchronized/lock保證某些代碼片斷的原子性
    • 　　對於int等類型的自增操做，能夠經過java.util.concurrent.atomic.*保證原子性
  • 　　可見性：是指一個線程對共享變量進行了修改，其餘線程能夠當即看到修改後的值。
  • 　　有序性：是指代碼在執行過程當中的前後順序是有序的。【Java編譯器會對代碼進行優化，執行順序可能與開發者編寫的順序不一樣（指令重排）】

 

　　併發編程時，保證三大特性的方式有三種：

• • 　　使用volatile關鍵字修飾變量
    • 　　當一個變量被volatile關鍵字修飾時，對於共享變量的讀操做會直接在主存中進行，對於共享變量的寫操做是先修改本地內存，修改結束後直接刷到主存中。（未被volatile修飾的變量被修改後，何時最新值會被刷到主存中是不肯定的）
  • 　　使用synchronized關鍵字修飾方法或代碼塊
  • • 　　synchronized關鍵字能保證同一時刻只有一個線程得到鎖而後執行同步方法，而且確保鎖釋放以前，會將修改的變量刷入主存。
  • 　　使用JUC提供的顯式鎖Lock
  • • 　　Lock能保證同一時刻只有一個線程得到鎖而後執行同步方法，而且確保鎖釋放以前，會將修改的變量刷入主存。

 補充

　　Java中提供了一系列和併發處理相關的關鍵字，好比volatile、synchronized等，其實這些就是Java內存模型封裝了底層的實現後提供給程序員使用的一些關鍵字。

 

參考文獻

• 汪文君《Java高併發編程詳解-多線程與架構設計》