Java并发(1)- 聊聊Java内存模型

引言

在计算机系统的发展过程中,由于CPU的运算速度和计算机存储速度之间巨大的差距。为了解决CPU的运算速度和计算机存储速度之间巨大的差距,设计人员在CPU和计算机存储之间加入了高速缓存来做为他们之间的桥梁,在运算时,先将数据拷贝到高速缓存中,计算完成后再将结果写入计算机存储,这样大大提高了计算效率,避免重复多次访问计算机存储造成的cpu资源浪费。
尽管这样,CPU还是存在很多空闲的时间段,为了压榨CPU的性能,多任务处理诞生了,同时多任务处理导致任务之间共享资源的争抢,从而引发了并发问题。
在Java应用程序中,为了更好的解决并发问题,就必须深入理解Java内存模型。Java内存模型是Java虚拟机非常重要的一部分,它用来指导Java虚拟机是如何与计算机硬件内存之间协同工作的。在了解Java内存模型之前,我们先来看看计算机硬件内存模型是怎么样的。

硬件内存模型


现代计算机通常有2个或以上的CPU,单个CPU可能有多个内核。每个CPU内核中都包含一组寄存器,CPU在寄存器中执行操作比在计算机主存储器中快的多。
同时每个CPU之上还存在高速缓存,但高速缓存的层级和位置是不固定的,现代计算机的缓存层级很多达到了三级,未来可能更多。缓存的位置也各有不同,有的集成了部分缓存到CPU中。 同样,缓存的读写速度也大大快于计算机主存储器,在寄存器和主存储器之间,这样的CPU--缓存--主存储的三层结构就构成了硬件内存模型。
CPU在程序的执行过程中,经常会频繁的调用相同的数据,比如在一个循环内调用了位于另外一个物理地址的函数,这个函数可能与当前指令的物理位置相距甚远,因为程序使用的物理内存并不是连续的,这就导致了需要花费很多不必要的时间在物理寻址上。但如果在CPU计算之前会将所需要用到的数据先读到缓存中,计算完成之后再一次性写入计算机主存储器,就可以避免频繁访问计算机主存储器造成的资源浪费。

Java内存模型

上面说了计算机的硬件内存模型,Java内存模型和硬件内存模型有很多类似的地方。由于存在不同的计算机操作系统类型和硬件类型,导致各种平台下物理内存模型的不一致。为了让Java上层开发有一个统一的内存访问操作,保证多线程对共享数据的读写一致性,JVM规范定义了Java内存模型(Java Memory Model JMM)。

JMM通过happens-before语义(篇幅有限,后面的文章再详细解说)定义了Java对数据的统一访问规则。这些数据主要包括实例字段,静态字段和构成数组的元素,但不包括局部变量、方法参数和异常处理参数,因为局部变量和方法参数是线程私有的,不存在数据竞争问题。
引用类型比较特殊,引用本身是线程私有的,但它引用的对象是可被共享的。
JMM还规定了所有的变量都存储在主内存中(Main Memory),同时每个线程有自己的本地内存(Local Meory,也叫工作内存),本地内存中保存了所需要用到的主内存数据的拷贝。线程对变量的读和写都在本地内存中进行。
是不是发现JMM和硬件内存模型存在很多相似之处?主内存对应计算机主存储,本地内存对应高速缓存。但要知道它们虽然可以类比,却并不是相同的东西。
本地内存仅仅是JMM的一个抽象概念,实际上JVM中并不存在这样一个区域来对应,这个区域在广义上可以包括缓存、寄存器以及其他的硬件和编译器优化等等。这句话可能听起来比较难懂,我们只需要知道线程对共享变量的操作并不会直接访问主内存,而是访问一个中间层,这个中间层包含了主内存中变量的拷贝,同时中间层的访问速度大大快于访问主内存的速度,在一定的操作之后将结果统一写回主内存,这样就大大提高了程序的性能。
同时也会产生另外一个问题,同一个共享变量在每一个线程之中都会有一份拷贝(对引用类型,并不是拷贝全部数据),产生的线程越多,缓存开销也就越大。

JVM内存模型

JVM内存模型定义的是线程堆栈和堆之间的内存划分,它和Java内存模型是有区别的,参照《深入理解Java虚拟机》中的解释:

这两者本没有关系。如果一定要勉强对应,那从变量、主内存、工作内存的定义来看,主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分,而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低层次上说,主内存就是物理内存,而为了获取更好的执行速度,虚拟机(甚至是硬件系统本身的优化措施)可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中,因为运行时主要访问——读写的是工作内存。

所有的原始类型(boolean,byte,short,char,int,long,float,double)局部变量都存储在线程堆栈中,不对其他线程共享。堆中则包含了Java程序中创建的对象。
举个例子:

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;
}

代码中局部变量localVarOne存储在线程堆栈中。局部变量localVarTwo的引用存储在线程堆栈中,但对象本身存储在堆上。局部变量localVarThree同localVarTwo一样,引用存储在线程堆栈中,但对象本身存储在堆上。不同的是多线程执行methodOne方法时,localVarTwo由于是静态类型,在堆中只有一份数据,而localVarThree在堆和堆栈中都有多份数据。局部变量对象的成员变量sharedVarOne也存储在堆上,无论sharedVarOne是基本类型还是引用类型都是如此。


参考资料:
《深入理解Java内存模型》
《深入理解Java虚拟机》
《Java并发编程的艺术》
http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/java-memory-model.html

posted @ 2018-07-18 22:46 knock_小新 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏