Java内存模型

Java内存模型、volatile关键字、happens-before规则。

全面理解Java内存模型

Java内存模型

内存模型示意图

每个线程复制一份共享变量的副本到本地内存中。

JVM中的堆和线程栈

在JVM内部,Java内存模型把内存分成了两部分:线程栈区和堆区,下图展示了Java内存模型在JVM中的逻辑视图:

JVM中运行的每个线程都拥有自己的线程栈,线程栈包含了当前线程执行的方法调用相关信息,我们也把它称作调用栈。随着代码的不断执行,调用栈会不断变化。

线程栈还包含了当前方法的所有本地变量信息。一个线程只能读取自己的线程栈,也就是说,线程中的本地变量对其它线程是不可见的。即使两个线程执行的是同一段代码,它们也会各自在自己的线程栈中创建本地变量,因此,每个线程中的本地变量都会有自己的版本。

所有原始类型(boolean,byte,short,char,int,long,float,double)的本地变量都直接保存在线程栈当中,对于它们的值各个线程之间都是独立的。对于原始类型的本地变量,一个线程可以传递一个副本给另一个线程,当它们之间是无法共享的。

堆区包含了Java应用创建的所有对象信息,不管对象是哪个线程创建的,其中的对象包括原始类型的封装类(如Byte、Integer、Long等等)。不管对象是属于一个成员变量还是方法中的本地变量,它都会被存储在堆区。

一个本地变量如果是原始类型,那么它会被完全存储到栈区。
一个本地变量也有可能是一个对象的引用,这种情况下,这个本地引用会被存储到栈中,但是对象本身仍然存储在堆区。

对于一个对象的成员方法,这些方法中包含本地变量,仍需要存储在栈区,即使它们所属的对象在堆区。
对于一个对象的成员变量,不管它是原始类型还是包装类型,都会被存储到堆区。

Static类型的变量以及类本身相关信息都会随着类本身存储在堆区。

堆中的对象可以被多线程共享。如果一个线程获得一个对象的引用,它便可访问这个对象的成员变量。如果两个线程同时调用了同一个对象的同一个方法,那么这两个线程便可同时访问这个对象的成员变量,但是对于本地变量,每个线程都会拷贝一份到自己的线程栈中。

硬件内存架构

硬件内存架构模型和Java内存模型的关系

Java内存模型和硬件内存架构并不一致。硬件内存架构中并没有区分栈和堆,从硬件上看,不管是栈还是堆,大部分数据都会存到主存中,当然一部分栈和堆的数据也有可能会存到CPU寄存器中,如下图所示,Java内存模型和计算机硬件内存架构是一个交叉关系:

volatile关键字

volatile关键字修饰的变量:

  • 不同线程对这个变量的可见性(直接写入内存,并使其他线程工作内存缓存的这个变量的值无效,重新从主存中读取)
  • 禁止重排序(保证访问变量前的语句都执行完毕且对后面可见,但不保证前面的执行顺序,也不保证后面的执行顺序)

注意:volatile硬件上是由内存屏障实现的,插入一条Memory Barrier会告诉编译器和CPU:不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序。Memory Barrier所做的另外一件事是强制刷出各种CPU cache,如一个Write-Barrier(写入屏障)将刷出所有在Barrier之前写入 cache 的数据,因此,任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

happens-before规则

基于happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。

在JMM中,如果一个操作的执行结果需要对另一个操作可见,那么这两个操作之间必须要存在happens-before关系,这个的两个操作既可以在同一个线程,也可以在不同的两个线程中。

与程序员密切相关的happens-before规则如下:

  • 程序顺序规则:一个线程中的每个操作,happens-before于该线程中任意的后续操作。
  • 监视器锁规则:对一个锁的解锁操作,happens-before于随后对这个锁的加锁操作。
  • volatile域规则:对一个volatile域的写操作,happens-before于任意线程后续对这个volatile域的读。
  • 传递性规则:如果 A happens-before B,且 B happens-before C,那么A happens-before C。

注意:两个操作之间具有happens-before关系,并不意味前一个操作必须要在后一个操作之前执行!仅仅要求前一个操作的执行结果,对于后一个操作是可见的,且前一个操作按顺序排在后一个操作之前。

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