Java内存模型

为了屏蔽掉各种硬件和操作系统间访问内存的差异,以实现让Java程序在各种平台下都达到一致的并发效果,Java定义Java内存模型。

JMM是一种规范,规范了JVM与计算机内存是如何协同工作的。它规定了一个线程如何和何时可以看到其他线程修改过后共享变量的值,以及在必须时如何同步的访问共享变量。

堆是运行时动态分配内存的,存取速度较慢,栈存取速度比堆快。

计算机内存架构:

CPU cache有什么意义

  1. 时间局部性:如果某个数据被访问,那么在不久的将来它很可能被再次访问。
  2. 空间局部性:如归某个数据被访问,那么与它线路的数据很快也可能被访问。

Java内存架构与计算机内存架构对应关系

Java内存模型抽象结构图

同步的八种操作

  • lock(锁定):作用于主内存的变量,把一个变量标识位一条线程独占状态
  • unlock(解锁):作用于主内存的变量,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):作用域主内存的变量,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,把工作内存中的变量值传递给执行引擎。
  • assign(赋值):作用于个工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量
  • 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。

同步规则

  • 如果要不一个变量从主内存中复制到工作内存,就必须按顺序的执行read和load操作,如果要把变量从工作内存同步回主内存中,就必须顺序的执行store和write操作。Java内存模型只要求上述操作必须顺序执行,而没有保证必须是连续执行。
  • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现
  • 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作,即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
  • 不允许一个线程无原因的(没有发生过任何assign操作)把数据从工作内存同步回主内存中
  • 一个新的变量只能在主内存中诞生,不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化的(load或assign)的变量,即就是对一个变量实施use和store操作之前,必须先执行过了assign和load操作。
  • 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作,但lock操作可以被同一线程重复执行多次,多次lock后必须执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁,即lock和unlock成对出现。
  • 如果对一个变量执行lock操作,将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
  • 如果一个变量事先没有被lock锁定,则不允许对它执行unlock操作,也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量
  • 对一个变量执行unlock操作之前,必须把此变量同步到主内存中(执行store和write操作)

这8种内容访问操作以及上述的相关规则限定,再加上后面的volatile的一些限定,就可以完全确定Java程序中,那些内存访问操作在并发下是线程安全的。由于这些规范相当严谨,但很繁琐,后面有等效的规则——先行发生原则,也可以用来确定一个访问在并发下是否线程安全。