Java併發（1）- 聊聊Java內存模型

引言

在計算機系統的發展過程當中，因爲CPU的運算速度和計算機存儲速度之間巨大的差距。爲了解決CPU的運算速度和計算機存儲速度之間巨大的差距，設計人員在CPU和計算機存儲之間加入了高速緩存來作爲他們之間的橋樑，在運算時，先將數據拷貝到高速緩存中，計算完成後再將結果寫入計算機存儲，這樣大大提升了計算效率，避免重複屢次訪問計算機存儲形成的cpu資源浪費。

儘管這樣，CPU仍是存在不少空閒的時間段，爲了壓榨CPU的性能，多任務處理誕生了，同時多任務處理致使任務之間共享資源的爭搶，從而引起了併發問題。

在Java應用程序中，爲了更好的解決併發問題，就必須深刻理解Java內存模型。Java內存模型是Java虛擬機很是重要的一部分，它用來指導Java虛擬機是如何與計算機硬件內存之間協同工做的。在瞭解Java內存模型以前，咱們先來看看計算機硬件內存模型是怎麼樣的。

硬件內存模型

現代計算機一般有2個或以上的CPU，單個CPU可能有多個內核。每一個CPU內核中都包含一組寄存器，CPU在寄存器中執行操做比在計算機主存儲器中快的多。

同時每一個CPU之上還存在高速緩存，但高速緩存的層級和位置是不固定的，現代計算機的緩存層級不少達到了三級，將來可能更多。緩存的位置也各有不一樣，有的集成了部分緩存到CPU中。

一樣，緩存的讀寫速度也大大快於計算機主存儲器，在寄存器和主存儲器之間，這樣的CPU--緩存--主存儲的三層結構就構成了硬件內存模型。

CPU在程序的執行過程當中，常常會頻繁的調用相同的數據，好比在一個循環內調用了位於另一個物理地址的函數，這個函數可能與當前指令的物理位置相距甚遠，由於程序使用的物理內存並非連續的，這就致使了須要花費不少沒必要要的時間在物理尋址上。但若是在CPU計算以前會將所須要用到的數據先讀到緩存中，計算完成以後再一次性寫入計算機主存儲器，就能夠避免頻繁訪問計算機主存儲器形成的資源浪費。

Java內存模型

上面說了計算機的硬件內存模型，Java內存模型和硬件內存模型有不少相似的地方。因爲存在不一樣的計算機操做系統類型和硬件類型，致使各類平臺下物理內存模型的不一致。爲了讓Java上層開發有一個統一的內存訪問操做，保證多線程對共享數據的讀寫一致性，JVM規範定義了Java內存模型（Java Memory Model JMM）。

JMM經過happens-before語義（篇幅有限，後面的文章再詳細解說）定義了Java對數據的統一訪問規則。這些數據主要包括實例字段，靜態字段和構成數組的元素，但不包括局部變量、方法參數和異常處理參數，由於局部變量和方法參數是線程私有的，不存在數據競爭問題。引用類型比較特殊，引用自己是線程私有的，但它引用的對象是可被共享的。

JMM還規定了全部的變量都存儲在主內存中（MainMemory），同時每一個線程有本身的本地內存（LocalMeory,也叫工做內存），本地內存中保存了所須要用到的主內存數據的拷貝。線程對變量的讀和寫都在本地內存中進行。

是否是發現JMM和硬件內存模型存在不少類似之處？主內存對應計算機主存儲，本地內存對應高速緩存。但要知道它們雖然能夠類比，卻並非相同的東西。

本地內存僅僅是JMM的一個抽象概念，實際上JVM中並不存在這樣一個區域來對應，這個區域在廣義上能夠包括緩存、寄存器以及其餘的硬件和編譯器優化等等。這句話可能聽起來比較難懂，咱們只須要知道線程對共享變量的操做並不會直接訪問主內存，而是訪問一箇中間層，這個中間層包含了主內存中變量的拷貝，同時中間層的訪問速度大大快於訪問主內存的速度，在必定的操做以後將結果統一寫回主內存，這樣就大大提升了程序的性能。

同時也會產生另一個問題，同一個共享變量在每個線程之中都會有一份拷貝（對引用類型，並非拷貝所有數據），產生的線程越多，緩存開銷也就越大。

JVM內存模型

JVM內存模型定義的是線程堆棧和堆之間的內存劃分，它和Java內存模型是有區別的，參照《深刻理解Java虛擬機》中的解釋：

這二者本沒有關係。若是必定要勉強對應，那從變量、主內存、工做內存的定義來看，主內存主要對應於Java堆中的對象實例數據部分，而工做內存則對應於虛擬機棧中的部分區域。從更低層次上說，主內存就是物理內存，而爲了獲取更好的執行速度，虛擬機（甚至是硬件系統自己的優化措施）可能會讓工做內存優先存儲於寄存器和高速緩存中，由於運行時主要訪問——讀寫的是工做內存。

全部的原始類型（boolean,byte,short,char,int,long,float,double）局部變量都存儲在線程堆棧中，不對其餘線程共享。堆中則包含了Java程序中建立的對象。 舉個例子：

public class MemoryModel {
	
	public int i = 0;
	
	public void methodOne() {
		
		int localVarOne = 1;
		
		SharedObject localVarTwo = SharedObject.sharedObject;
		
		Integer localVarThree = new Integer(1);
	}
}

public class SharedObject {
	
	pubic static SharedObject sharedObject = new SharedObject();
	
	public int sharedVarOne = 1;
}
複製代碼

代碼中局部變量localVarOne存儲在線程堆棧中。局部變量localVarTwo的引用存儲在線程堆棧中，但對象自己存儲在堆上。局部變量localVarThree同localVarTwo同樣，引用存儲在線程堆棧中，但對象自己存儲在堆上。不一樣的是多線程執行methodOne方法時，localVarTwo因爲是靜態類型，在堆中只有一份數據，而localVarThree在堆和堆棧中都有多份數據。局部變量對象的成員變量sharedVarOne也存儲在堆上，不管sharedVarOne是基本類型仍是引用類型都是如此。
參考資料：

1. 《深刻理解Java內存模型》
2. 《深刻理解Java虛擬機》
3. 《Java併發編程的藝術》
4. http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/java-memory-model.html