深入理解Java内存模型(JMM)

概述

对于 Java 程序员来说,在虚拟机自动内存管理机制下,不再需要像 C/C++程序开发程序员这样为每一个 new 操作去写对应的 delete/free 操作,不容易出现内存泄漏和内存溢出问题。正是因为 Java 程序员把内存控制权利交给 Java 虚拟机,一旦出现内存泄漏和溢出方面的问题,如果不了解虚拟机是怎样使用内存的,那么排查错误将会是一个非常艰巨的任务。
Java内存模型(即Java Memory Model,简称JMM)本身是一种抽象的概念,并不真实存在,它描述的是一组规则或规范,通过这组规范定义了程序中各个变量(包括实例字段,静态字段和构成数组对象的元素)的访问方式。由于JVM运行程序的实体是线程,而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方称为栈空间),用于存储线程私有的数据,而Java内存模型中规定所有变量都存储在主内存,主内存是共享内存区域,所有线程都可以访问,但线程对变量的操作(读取赋值等)必须在工作内存中进行,首先要将变量从主内存拷贝的自己的工作内存空间,然后对变量进行操作,操作完成后再将变量写回主内存,不能直接操作主内存中的变量,工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝,前面说过,工作内存是每个线程的私有数据区域,因此不同的线程间无法访问对方的工作内存,线程间的通信(传值)必须通过主内存来完成,其简要访问过程如下图
线程、主内存、工作内存交互
需要注意的是,JMM与Java内存区域的划分是不同的概念层次,更恰当说JMM描述的是一组规则,通过这组规则控制程序中各个变量在共享数据区域和私有数据区域的访问方式,JMM是围绕原子性,有序性、可见性展开的(稍后会分析)。JMM与Java内存区域唯一相似点,都存在共享数据区域和私有数据区域,在JMM中主内存属于共享数据区域,从某个程度上讲应该包括了堆和方法区,而工作内存数据线程私有数据区域,从某个程度上讲则应该包括程序计数器、虚拟机栈以及本地方法栈。或许在某些地方,我们可能会看见主内存被描述为堆内存,工作内存被称为线程栈,实际上他们表达的都是同一个含义。关于JMM中的主内存和工作内存说明如下

  • 主内存

主要存储的是Java实例对象,所有线程创建的实例对象都存放在主内存中,不管该实例对象是成员变量还是方法中的本地变量(也称局部变量),当然也包括了共享的类信息、常量、静态变量。由于是共享数据区域,多条线程对同一个变量进行访问可能会发现线程安全问题。

  • 工作内存

主要存储当前方法的所有本地变量信息(工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝),每个线程只能访问自己的工作内存,即线程中的本地变量对其它线程是不可见的,就算是两个线程执行的是同一段代码,它们也会各自在自己的工作内存中创建属于当前线程的本地变量,当然也包括了字节码行号指示器、相关Native方法的信息。注意由于工作内存是每个线程的私有数据,线程间无法相互访问工作内存,因此存储在工作内存的数据不存在线程安全问题。
弄清楚主内存和工作内存后,接了解一下主内存与工作内存的数据存储类型以及操作方式,根据虚拟机规范,对于一个实例对象中的成员方法而言,如果方法中包含本地变量是基本数据类型(boolean,byte,short,char,int,long,float,double),将直接存储在工作内存的帧栈结构中,但倘若本地变量是引用类型,那么该变量的引用会存储在功能内存的帧栈中,而对象实例将存储在主内存(共享数据区域,堆)中。但对于实例对象的成员变量,不管它是基本数据类型或者包装类型(Integer、Double等)还是引用类型,都会被存储到堆区。至于static变量以及类本身相关信息将会存储在主内存中。需要注意的是,在主内存中的实例对象可以被多线程共享,倘若两个线程同时调用了同一个对象的同一个方法,那么两条线程会将要操作的数据拷贝一份到自己的工作内存中,执行完成操作后才刷新到主内存,简单示意图如下所示:

运行时数据区域

Java 虚拟机在执行 Java 程序的过程中会把它管理的内存划分成若干个不同的数据区域。JDK. 1.8 和之前的版本略有不同,下面会介绍到。

JDK 1.8 之前:

JDK 1.8 :

  • 线程私有的:

    • 程序计数器
    • 虚拟机栈
    • 本地方法栈
  • 线程共享的:

    • 方法区
    • 直接内存 (非运行时数据区的一部分)

程序计数器(Program Counter Register)

程序计数器是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令,分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成。

另外,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各线程之间计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。

从上面的介绍中我们知道程序计数器主要有两个作用:

  • 字节码解释器通过改变程序计数器来依次读取指令,从而实现代码的流程控制,如:顺序执行、选择、循环、异常处理。
  • 在多线程的情况下,程序计数器用于记录当前线程执行的位置,从而当线程被切换回来的时候能够知道该线程上次运行到哪儿了。

注意:程序计数器是唯一一个不会出现 OutOfMemoryError 的内存区域,它的生命周期随着线程的创建而创建,随着线程的结束而死亡。

虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)

与程序计数器一样,Java 虚拟机栈也是线程私有的,它的生命周期和线程相同,描述的是 Java 方法执行的内存模型,每次方法调用的数据都是通过栈传递的。

Java 内存可以粗糙的区分为堆内存(Heap)和栈内存 (Stack),其中栈就是现在说的虚拟机栈,或者说是虚拟机栈中局部变量表部分。 (实际上,Java 虚拟机栈是由一个个栈帧组成,而每个栈帧中都拥有:局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。)

局部变量表主要存放了编译器可知的各种数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、double)、对象引用(reference 类型,它不同于对象本身,可能是一个指向对象起始地址的引用指针,也可能是指向一个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置)。

Java 虚拟机栈会出现两种错误:StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError。

  • StackOverFlowError: 若 Java 虚拟机栈的内存大小不允许动态扩展,那么当线程请求栈的深度超过当前 Java 虚拟机栈的最大深度的时候,就抛出 StackOverFlowError 错误。
  • OutOfMemoryError: 若 Java 虚拟机栈的内存大小允许动态扩展,且当线程请求栈时内存用完了,无法再动态扩展了,此时抛出 OutOfMemoryError 错误。

Java 虚拟机栈也是线程私有的,每个线程都有各自的 Java 虚拟机栈,而且随着线程的创建而创建,随着线程的死亡而死亡。

扩展:那么方法/函数如何调用?

Java 栈可用类比数据结构中栈,Java 栈中保存的主要内容是栈帧,每一次函数调用都会有一个对应的栈帧被压入 Java 栈,每一个函数调用结束后,都会有一个栈帧被弹出。

Java 方法有两种返回方式:

  • return 语句。
  • 抛出异常。

不管哪种返回方式都会导致栈帧被弹出。

本地方法栈(Native Method Stacks)

和虚拟机栈所发挥的作用非常相似,区别是: 虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法 (也就是字节码)服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。 在 HotSpot 虚拟机中和 Java 虚拟机栈合二为一。

本地方法被执行的时候,在本地方法栈也会创建一个栈帧,用于存放该本地方法的局部变量表、操作数栈、动态链接、出口信息。

方法执行完毕后相应的栈帧也会出栈并释放内存空间,也会出现 StackOverFlowError 和 OutOfMemoryError 两种错误。

JVM堆(Java Heap)

Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块,Java 堆是所有线程共享的一块内存区域,在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例,几乎所有的对象实例以及数组都在这里分配内存。

Java 堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此也被称作GC 堆(Garbage Collected Heap).从垃圾回收的角度,由于现在收集器基本都采用分代垃圾收集算法,所以 Java 堆还可以细分为:新生代和老年代:再细致一点有:Eden 空间、From Survivor、To Survivor 空间等。进一步划分的目的是更好地回收内存,或者更快地分配内存。

在 JDK 7 版本及JDK 7 版本之前,堆内存被通常被分为下面三部分:

  • 新生代内存(Young Generation):新建的对象都是用新生代分配内存,Eden空间不足的时候,会把存活的对象转移到Survivor中,新生代大小可以由-Xmn来控制,也可以用-XX:SurvivorRatio来控制Eden和Survivor的比例
  • 老生代(Old Generation):用于存放新生代中经过多次垃圾回收仍然存活的对象
  • 持久代(Permanent Generation):实现方法区,主要存放所有已加载的类信息,方法信息,常量池等等。可通过-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize来指定持久带初始化值和最大值。Permanent Space并不等同于方法区,只不过是Hotspot JVM用Permanent Space来实现方法区而已,有些虚拟机没有Permanent Space而用其他机制来实现方法区

JDK 8 版本之后方法区(HotSpot 的永久代)被彻底移除了(JDK1.7 就已经开始了),取而代之是元空间,元空间使用的是直接内存。

上图所示的 Eden 区、两个 Survivor 区都属于新生代(为了区分,这两个 Survivor 区域按照顺序被命名为 from 和 to),中间一层属于老年代。

大部分情况,对象都会首先在 Eden 区域分配,在一次新生代垃圾回收后,如果对象还存活,则会进入 s0 或者 s1,并且对象的年龄还会加 1(Eden 区->Survivor 区后对象的初始年龄变为 1),当它的年龄增加到一定程度(默认为 15 岁),就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代的年龄阈值,可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

修正(issue552):“Hotspot遍历所有对象时,按照年龄从小到大对其所占用的大小进行累积,当累积的某个年龄大小超过了survivor区的一半时,取这个年龄和MaxTenuringThreshold中更小的一个值,作为新的晋升年龄阈值”。

动态年龄计算的代码如下

uint ageTable::compute_tenuring_threshold(size_t survivor_capacity) {
//survivor_capacity是survivor空间的大小
size_t desired_survivor_size = (size_t)((((double) survivor_capacity)*TargetSurvivorRatio)/100);
size_t total = 0;
uint age = 1;
while (age < table_size) {
total += sizes[age];//sizes数组是每个年龄段对象大小
if (total > desired_survivor_size) break;
age++;
}
uint result = age < MaxTenuringThreshold ? age : MaxTenuringThreshold;
...
}

堆这里最容易出现的就是 OutOfMemoryError 错误,并且出现这种错误之后的表现形式还会有几种,比如:

  • OutOfMemoryError: GC Overhead Limit Exceeded : 当JVM花太多时间执行垃圾回收并且只能回收很少的堆空间时,就会发生此错误。
  • java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space :假如在创建新的对象时, 堆内存中的空间不足以存放新创建的对象, 就会引发java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space 错误。(和本机物理内存无关,和你配置的对内存大小有关!)
    ......

方法区(Method Area)

方法区与 Java 堆一样,是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分,但是它却有一个别名叫做 Non-Heap(非堆),目的应该是与 Java 堆区分开来。

方法区也被称为永久代。很多人都会分不清方法区和永久代的关系,为此我也查阅了文献。

  • 方法区和永久代的关系

《Java 虚拟机规范》只是规定了有方法区这么个概念和它的作用,并没有规定如何去实现它。那么,在不同的 JVM 上方法区的实现肯定是不同的了。 方法区和永久代的关系很像 Java 中接口和类的关系,类实现了接口,而永久代就是 HotSpot 虚拟机对虚拟机规范中方法区的一种实现方式。 也就是说,永久代是 HotSpot 的概念,方法区是 Java 虚拟机规范中的定义,是一种规范,而永久代是一种实现,一个是标准一个是实现,其他的虚拟机实现并没有永久代这一说法。

  • 常用参数

JDK 1.8 之前永久代还没被彻底移除的时候通常通过下面这些参数来调节方法区大小

  • -XX:PermSize=N //方法区 (永久代) 初始大小
  • -XX:MaxPermSize=N //方法区 (永久代) 最大大小,超过这个值将会抛出 OutOfMemoryError 异常:java.lang.OutOfMemoryError: PermGen
    相对而言,垃圾收集行为在这个区域是比较少出现的,但并非数据进入方法区后就“永久存在”了。

JDK 1.8 的时候,方法区(HotSpot 的永久代)被彻底移除了(JDK1.7 就已经开始了),取而代之是元空间,元空间使用的是直接内存。

下面是一些常用参数:

  • -XX:MetaspaceSize=N //设置 Metaspace 的初始(和最小大小)

  • -XX:MaxMetaspaceSize=N //设置 Metaspace 的最大大小
    与永久代很大的不同就是,如果不指定大小的话,随着更多类的创建,虚拟机会耗尽所有可用的系统内存。

  • 为什么要将永久代 (PermGen) 替换为元空间 (MetaSpace) 呢?
    整个永久代有一个 JVM 本身设置固定大小上限,无法进行调整,而元空间使用的是直接内存,受本机可用内存的限制,虽然元空间仍旧可能溢出,但是比原来出现的几率会更小。
    当你元空间溢出时会得到如下错误: java.lang.OutOfMemoryError: MetaSpace

你可以使用 -XX:MaxMetaspaceSize 标志设置最大元空间大小,默认值为 unlimited,这意味着它只受系统内存的限制。-XX:MetaspaceSize 调整标志定义元空间的初始大小如果未指定此标志,则 Metaspace 将根据运行时的应用程序需求动态地重新调整大小。

元空间里面存放的是类的元数据,这样加载多少类的元数据就不由 MaxPermSize 控制了, 而由系统的实际可用空间来控制,这样能加载的类就更多了。

在 JDK8,合并 HotSpot 和 JRockit 的代码时, JRockit 从来没有一个叫永久代的东西, 合并之后就没有必要额外的设置这么一个永久代的地方了。

运行时常量池

运行时常量池是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外,还有常量池信息(用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用)

既然运行时常量池是方法区的一部分,自然受到方法区内存的限制,当常量池无法再申请到内存时会抛出 OutOfMemoryError 错误。

JDK1.7 及之后版本的 JVM 已经将运行时常量池从方法区中移了出来,在 Java 堆(Heap)中开辟了一块区域存放运行时常量池。

直接内存

直接内存并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是虚拟机规范中定义的内存区域,但是这部分内存也被频繁地使用。而且也可能导致 OutOfMemoryError 错误出现。

JDK1.4 中新加入的 NIO(New Input/Output) 类,引入了一种基于通道(Channel) 与缓存区(Buffer) 的 I/O 方式,它可以直接使用 Native 函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在 Java 堆中的 DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样就能在一些场景中显著提高性能,因为避免了在 Java 堆和 Native 堆之间来回复制数据。

本机直接内存的分配不会受到 Java 堆的限制,但是,既然是内存就会受到本机总内存大小以及处理器寻址空间的限制。

HotSpot虚拟机对象探秘

通过上面的介绍我们大概知道了虚拟机的内存情况,下面我们来详细的了解一下 HotSpot 虚拟机在 Java 堆中对象分配、布局和访问的全过程。

对象的创建

下图便是 Java 对象的创建过程,我建议最好是能默写出来,并且要掌握每一步在做什么。

  • Step1:类加载检查
    虚拟机遇到一条 new 指令时,首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有,那必须先执行相应的类加载过程。

  • Step2:分配内存
    在类加载检查通过后,接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定,为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。分配方式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种,选择那种分配方式由 Java 堆是否规整决定,而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。


选择以上两种方式中的哪一种,取决于 Java 堆内存是否规整。而 Java 堆内存是否规整,取决于 GC 收集器的算法是"标记-清除",还是"标记-整理"(也称作"标记-压缩"),值得注意的是,复制算法内存也是规整的

内存分配并发问题:

在创建对象的时候有一个很重要的问题,就是线程安全,因为在实际开发过程中,创建对象是很频繁的事情,作为虚拟机来说,必须要保证线程是安全的,通常来讲,虚拟机采用两种方式来保证线程安全:

1.CAS+失败重试: CAS 是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。虚拟机采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
2.TLAB: 为每一个线程预先在 Eden 区分配一块儿内存,JVM 在给线程中的对象分配内存时,首先在 TLAB 分配,当对象大于 TLAB 中的剩余内存或 TLAB 的内存已用尽时,再采用上述的 CAS 进行内存分配

  • Step3:初始化零值
    内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头),这一步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用,程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

  • Step4:设置对象头
    初始化零值完成之后,虚拟机要对对象进行必要的设置,例如这个对象是那个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息。 这些信息存放在对象头中。 另外,根据虚拟机当前运行状态的不同,如是否启用偏向锁等,对象头会有不同的设置方式。

  • Step5:执行 init 方法
    在上面工作都完成之后,从虚拟机的视角来看,一个新的对象已经产生了,但从 Java 程序的视角来看,对象创建才刚开始, 方法还没有执行,所有的字段都还为零。所以一般来说,执行 new 指令之后会接着执行 方法,把对象按照程序员的意愿进行初始化,这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

对象的内存布局

在 Hotspot 虚拟机中,对象在内存中的布局可以分为 3 块区域:对象头、实例数据和对齐填充。

Hotspot 虚拟机的对象头包括两部分信息,第一部分用于存储对象自身的自身运行时数据(哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等等),另一部分是类型指针,即对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例。

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是在程序中所定义的各种类型的字段内容。

对齐填充部分不是必然存在的,也没有什么特别的含义,仅仅起占位作用。 因为 Hotspot 虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍,换句话说就是对象的大小必须是 8 字节的整数倍。而对象头部分正好是 8 字节的倍数(1 倍或 2 倍),因此,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

建立对象就是为了使用对象,我们的 Java 程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定,目前主流的访问方式有①使用句柄和②直接指针两种:

  • 句柄: 如果使用句柄的话,那么 Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference 中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息;

  • 直接指针: 如果使用直接指针访问,那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,而 reference 中存储的直接就是对象的地址。

这两种对象访问方式各有优势。使用句柄来访问的最大好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针,而 reference 本身不需要修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快,它节省了一次指针定位的时间开销。

String 类与常量池

String 对象的两种创建方式:

String str1 = "abcd";//先检查字符串常量池中有没有"abcd",如果字符串常量池中没有,则创建一个,然后 str1 指向字符串常量池中的对象,如果有,则直接将 str1 指向"abcd"";
String str2 = new String("abcd");//堆中创建一个新的对象
String str3 = new String("abcd");//堆中创建一个新的对象
System.out.println(str1==str2);//false
System.out.println(str2==str3);//false

这两种不同的创建方法是有差别的。

  • 第一种方式是在常量池中拿对象;
  • 第二种方式是直接在堆内存空间创建一个新的对象。

记住一点:只要使用 new 方法,便需要创建新的对象。

String 类型的常量池比较特殊。它的主要使用方法有两种:

  • 直接使用双引号声明出来的 String 对象会直接存储在常量池中。
  • 如果不是用双引号声明的 String 对象,可以使用 String 提供的 intern 方法。String.intern() 是一个 Native 方法,它的作用是:如果运行时常量池中已经包含一个等于此 String 对象内容的字符串,则返回常量池中该字符串的引用;如果没有,JDK1.7之前(不包含1.7)的处理方式是在常量池中创建与此 String 内容相同的字符串,并返回常量池中创建的字符串的引用,JDK1.7以及之后的处理方式是在常量池中记录此字符串的引用,并返回该引用。
String s1 = new String("计算机");
          String s2 = s1.intern();
          String s3 = "计算机";
          System.out.println(s2);//计算机
          System.out.println(s1 == s2);//false,因为一个是堆内存中的 String 对象一个是常量池中的 String 对象,
          System.out.println(s3 == s2);//true,因为两个都是常量池中的 String 对象

字符串拼接:

          String str1 = "str";
          String str2 = "ing";
          String str3 = "str" + "ing";//常量池中的对象
          String str4 = str1 + str2; //在堆上创建的新的对象      
          String str5 = "string";//常量池中的对象
          System.out.println(str3 == str4);//false
          System.out.println(str3 == str5);//true
          System.out.println(str4 == str5);//false


尽量避免多个字符串拼接,因为这样会重新创建对象。如果需要改变字符串的话,可以使用 StringBuilder 或者 StringBuffer。

String s1 = new String("abc");这句话创建了几个字符串对象?

将创建 1 或 2 个字符串。如果池中已存在字符串常量“abc”,则只会在堆空间创建一个字符串常量“abc”。如果池中没有字符串常量“abc”,那么它将首先在池中创建,然后在堆空间中创建,因此将创建总共 2 个字符串对象。

验证:

        String s1 = new String("abc");// 堆内存的地址值
        String s2 = "abc";
        System.out.println(s1 == s2);// 输出 false,因为一个是堆内存,一个是常量池的内存,故两者是不同的。
        System.out.println(s1.equals(s2));// 输出 true

8 种基本类型的包装类和常量池

  • Java 基本类型的包装类的大部分都实现了常量池技术,即 Byte,Short,Integer,Long,Character,Boolean;这 5 种包装类默认创建了数值[-128,127] 的相应类型的缓存数据,但是超出此范围仍然会去创建新的对象。 为啥把缓存设置为[-128,127]区间?(参见issue/461)性能和资源之间的权衡。

  • 两种浮点数类型的包装类 Float,Double 并没有实现常量池技术。

        Integer i1 = 33;
        Integer i2 = 33;
        System.out.println(i1 == i2);// 输出 true
        Integer i11 = 333;
        Integer i22 = 333;
        System.out.println(i11 == i22);// 输出 false
        Double i3 = 1.2;
        Double i4 = 1.2;
        System.out.println(i3 == i4);// 输出 false

Integer 缓存源代码:

/**
*此方法将始终缓存-128 到 127(包括端点)范围内的值,并可以缓存此范围之外的其他值。
*/
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }

应用场景:

  • Integer i1=40;Java 在编译的时候会直接将代码封装成 Integer i1=Integer.valueOf(40);,从而使用常量池中的对象。
  • Integer i1 = new Integer(40);这种情况下会创建新的对象。
  Integer i1 = 40;
  Integer i2 = new Integer(40);
  System.out.println(i1==i2);//输出 false

JMM存在的必要性

由于JVM运行程序的实体是线程,而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方称为栈空间),用于存储线程私有的数据,线程与主内存中的变量操作必须通过工作内存间接完成,主要过程是将变量从主内存拷贝的每个线程各自的工作内存空间,然后对变量进行操作,操作完成后再将变量写回主内存,如果存在两个线程同时对一个主内存中的实例对象的变量进行操作就有可能诱发线程安全问题。如下图,主内存中存在一个共享变量x,现在有A和B两条线程分别对该变量x=1进行操作,A/B线程各自的工作内存中存在共享变量副本x。假设现在A线程想要修改x的值为2,而B线程却想要读取x的值,那么B线程读取到的值是A线程更新后的值2还是更新前的值1呢?答案是,不确定,即B线程有可能读取到A线程更新前的值1,也有可能读取到A线程更新后的值2,这是因为工作内存是每个线程私有的数据区域,而线程A变量x时,首先是将变量从主内存拷贝到A线程的工作内存中,然后对变量进行操作,操作完成后再将变量x写回主内,而对于B线程的也是类似的,这样就有可能造成主内存与工作内存间数据存在一致性问题,假如A线程修改完后正在将数据写回主内存,而B线程此时正在读取主内存,即将x=1拷贝到自己的工作内存中,这样B线程读取到的值就是x=1,但如果A线程已将x=2写回主内存后,B线程才开始读取的话,那么此时B线程读取到的就是x=2,但到底是哪种情况先发生呢?这是不确定的,这也就是所谓的线程安全问题。

为了解决类似上述的问题,JVM定义了一组规则,通过这组规则来决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见,这组规则也称为Java内存模型(即JMM),JMM是围绕着程序执行的原子性、有序性、可见性展开的,下面我们看看这三个特性。

原子性

原子性指的是一个操作是不可中断的,即使是在多线程环境下,一个操作一旦开始就不会被其他线程影响。比如对于一个静态变量int x,两条线程同时对他赋值,线程A赋值为1,而线程B赋值为2,不管线程如何运行,最终x的值要么是1,要么是2,线程A和线程B间的操作是没有干扰的,这就是原子性操作,不可被中断的特点。有点要注意的是,对于32位系统的来说,long类型数据和double类型数据(对于基本数据类型,byte,short,int,float,boolean,char读写是原子操作),它们的读写并非原子性的,也就是说如果存在两条线程同时对long类型或者double类型的数据进行读写是存在相互干扰的,因为对于32位虚拟机来说,每次原子读写是32位的,而long和double则是64位的存储单元,这样会导致一个线程在写时,操作完前32位的原子操作后,轮到B线程读取时,恰好只读取到了后32位的数据,这样可能会读取到一个既非原值又不是线程修改值的变量,它可能是“半个变量”的数值,即64位数据被两个线程分成了两次读取。但也不必太担心,因为读取到“半个变量”的情况比较少见,至少在目前的商用的虚拟机中,几乎都把64位的数据的读写操作作为原子操作来执行,因此对于这个问题不必太在意,知道这么回事即可。

可见性

理解了指令重排现象后,可见性容易了,可见性指的是当一个线程修改了某个共享变量的值,其他线程是否能够马上得知这个修改的值。对于串行程序来说,可见性是不存在的,因为我们在任何一个操作中修改了某个变量的值,后续的操作中都能读取这个变量值,并且是修改过的新值。但在多线程环境中可就不一定了,前面我们分析过,由于线程对共享变量的操作都是线程拷贝到各自的工作内存进行操作后才写回到主内存中的,这就可能存在一个线程A修改了共享变量x的值,还未写回主内存时,另外一个线程B又对主内存中同一个共享变量x进行操作,但此时A线程工作内存中共享变量x对线程B来说并不可见,这种工作内存与主内存同步延迟现象就造成了可见性问题,另外指令重排以及编译器优化也可能导致可见性问题,通过前面的分析,我们知道无论是编译器优化还是处理器优化的重排现象,在多线程环境下,确实会导致程序轮序执行的问题,从而也就导致可见性问题。

有序性

有序性是指对于单线程的执行代码,我们总是认为代码的执行是按顺序依次执行的,这样的理解并没有毛病,毕竟对于单线程而言确实如此,但对于多线程环境,则可能出现乱序现象,因为程序编译成机器码指令后可能会出现指令重排现象,重排后的指令与原指令的顺序未必一致,要明白的是,在Java程序中,倘若在本线程内,所有操作都视为有序行为,如果是多线程环境下,一个线程中观察另外一个线程,所有操作都是无序的,前半句指的是单线程内保证串行语义执行的一致性,后半句则指指令重排现象和工作内存与主内存同步延迟现象。

JMM提供的解决方案

在理解了原子性,可见性以及有序性问题后,看看JMM是如何保证的,在Java内存模型中都提供一套解决方案供Java工程师在开发过程使用,如原子性问题,除了JVM自身提供的对基本数据类型读写操作的原子性外,对于方法级别或者代码块级别的原子性操作,可以使用synchronized关键字或者重入锁(ReentrantLock)保证程序执行的原子性,关于synchronized的详解,看另外一篇文章( 深入理解Java并发之synchronized实现原理)。而工作内存与主内存同步延迟现象导致的可见性问题,可以使用synchronized关键字或者volatile关键字解决,它们都可以使一个线程修改后的变量立即对其他线程可见。对于指令重排导致的可见性问题和有序性问题,则可以利用volatile关键字解决,因为volatile的另外一个作用就是禁止重排序优化,关于volatile稍后会进一步分析。除了靠sychronized和volatile关键字来保证原子性、可见性以及有序性外,JMM内部还定义一套happens-before 原则来保证多线程环境下两个操作间的原子性、可见性以及有序性。

理解JMM中的happens-before 原则

倘若在程序开发中,仅靠sychronized和volatile关键字来保证原子性、可见性以及有序性,那么编写并发程序可能会显得十分麻烦,幸运的是,在Java内存模型中,还提供了happens-before 原则来辅助保证程序执行的原子性、可见性以及有序性的问题,它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的依据,happens-before 原则内容如下

  • 程序顺序原则,即在一个线程内必须保证语义串行性,也就是说按照代码顺序执行。

  • 锁规则 解锁(unlock)操作必然发生在后续的同一个锁的加锁(lock)之前,也就是说,如果对于一个锁解锁后,再加锁,那么加锁的动作必须在解锁动作之后(同一个锁)。

  • volatile规则 volatile变量的写,先发生于读,这保证了volatile变量的可见性,简单的理解就是,volatile变量在每次被线程访问时,都强迫从主内存中读该变量的值,而当该变量发生变化时,又会强迫将最新的值刷新到主内存,任何时刻,不同的线程总是能够看到该变量的最新值。

  • 线程启动规则 线程的start()方法先于它的每一个动作,即如果线程A在执行线程B的start方法之前修改了共享变量的值,那么当线程B执行start方法时,线程A对共享变量的修改对线程B可见

  • 传递性 A先于B ,B先于C 那么A必然先于C

  • 线程终止规则 线程的所有操作先于线程的终结,Thread.join()方法的作用是等待当前执行的线程终止。假设在线程B终止之前,修改了共享变量,线程A从线程B的join方法成功返回后,线程B对共享变量的修改将对线程A可见。

  • 线程中断规则 对线程 interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生,可以通过Thread.interrupted()方法检测线程是否中断。

  • 对象终结规则 对象的构造函数执行,结束先于finalize()方法

上述8条原则无需手动添加任何同步手段(synchronized|volatile)即可达到效果,下面我们结合前面的案例演示这8条原则如何判断线程是否安全,如下:

class MixedOrder{
    int a = 0;
    boolean flag = false;
    public void writer(){
        a = 1;
        flag = true;
    }

    public void read(){
        if(flag){
            int i = a + 1;
        }
    }
}

同样的道理,存在两条线程A和B,线程A调用实例对象的writer()方法,而线程B调用实例对象的read()方法,线程A先启动而线程B后启动,那么线程B读取到的i值是多少呢?现在依据8条原则,由于存在两条线程同时调用,因此程序次序原则不合适。writer()方法和read()方法都没有使用同步手段,锁规则也不合适。没有使用volatile关键字,volatile变量原则不适应。线程启动规则、线程终止规则、线程中断规则、对象终结规则、传递性和本次测试案例也不合适。线程A和线程B的启动时间虽然有先后,但线程B执行结果却是不确定,也是说上述代码没有适合8条原则中的任意一条,也没有使用任何同步手段,所以上述的操作是线程不安全的,因此线程B读取的值自然也是不确定的。修复这个问题的方式很简单,要么给writer()方法和read()方法添加同步手段,如synchronized或者给变量flag添加volatile关键字,确保线程A修改的值对线程B总是可见。

volatile内存语义

volatile在并发编程中很常见,但也容易被滥用,现在我们就进一步分析volatile关键字的语义。volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制。volatile关键字有如下两个作用

  • 保证被volatile修饰的共享gong’x变量对所有线程总数可见的,也就是当一个线程修改了一个被volatile修饰共享变量的值,新值总数可以被其他线程立即得知。

  • 禁止指令重排序优化。

volatile的可见性

关于volatile的可见性作用,我们必须意识到被volatile修饰的变量对所有线程总数立即可见的,对volatile变量的所有写操作总是能立刻反应到其他线程中,但是对于volatile变量运算操作在多线程环境并不保证安全性,如下

public class VolatileVisibility {
    public static volatile int i =0;

    public static void increase(){
        i++;
    }
}

正如上述代码所示,i变量的任何改变都会立马反应到其他线程中,但是如此存在多条线程同时调用increase()方法的话,就会出现线程安全问题,毕竟i++;操作并不具备原子性,该操作是先读取值,然后写回一个新值,相当于原来的值加上1,分两步完成,如果第二个线程在第一个线程读取旧值和写回新值期间读取i的域值,那么第二个线程就会与第一个线程一起看到同一个值,并执行相同值的加1操作,这也就造成了线程安全失败,因此对于increase方法必须使用synchronized修饰,以便保证线程安全,需要注意的是一旦使用synchronized修饰方法后,由于synchronized本身也具备与volatile相同的特性,即可见性,因此在这样种情况下就完全可以省去volatile修饰变量。

public class VolatileVisibility {
    public static int i =0;

    public synchronized static void increase(){
        i++;
    }
}

现在来看另外一种场景,可以使用volatile修饰变量达到线程安全的目的,如下

public class VolatileSafe {

    volatile boolean close;

    public void close(){
        close=true;
    }

    public void doWork(){
        while (!close){
            System.out.println("safe....");
        }
    }
}

由于对于boolean变量close值的修改属于原子性操作,因此可以通过使用volatile修饰变量close,使用该变量对其他线程立即可见,从而达到线程安全的目的。那么JMM是如何实现让volatile变量对其他线程立即可见的呢?实际上,当写一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的工作内存中的共享变量值刷新到主内存中,当读取一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的工作内存置为无效,那么该线程将只能从主内存中重新读取共享变量。volatile变量正是通过这种写-读方式实现对其他线程可见(但其内存语义实现则是通过内存屏障,稍后会说明)。

volatile禁止重排优化

volatile关键字另一个作用就是禁止指令重排优化,从而避免多线程环境下程序出现乱序执行的现象,关于指令重排优化前面已详细分析过,这里主要简单说明一下volatile是如何实现禁止指令重排优化的。先了解一个概念,内存屏障(Memory Barrier)。
内存屏障,又称内存栅栏,是一个CPU指令,它的作用有两个,一是保证特定操作的执行顺序,二是保证某些变量的内存可见性(利用该特性实现volatile的内存可见性)。由于编译器和处理器都能执行指令重排优化。如果在指令间插入一条Memory Barrier则会告诉编译器和CPU,不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序,也就是说通过插入内存屏障禁止在内存屏障前后的指令执行重排序优化。Memory Barrier的另外一个作用是强制刷出各种CPU的缓存数据,因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。总之,volatile变量正是通过内存屏障实现其在内存中的语义,即可见性和禁止重排优化。下面看一个非常典型的禁止重排优化的例子DCL,如下:

public class DoubleCheckLock {

    private static DoubleCheckLock instance;

    private DoubleCheckLock(){}

    public static DoubleCheckLock getInstance(){

        //第一次检测
        if (instance==null){
            //同步
            synchronized (DoubleCheckLock.class){
                if (instance == null){
                    //多线程环境下可能会出现问题的地方
                    instance = new DoubleCheckLock();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

上述代码一个经典的单例的双重检测的代码,这段代码在单线程环境下并没有什么问题,但如果在多线程环境下就可以出现线程安全问题。原因在于某一个线程执行到第一次检测,读取到的instance不为null时,instance的引用对象可能没有完成初始化。因为instance = new DoubleCheckLock();可以分为以下3步完成(伪代码)

memory = allocate(); //1.分配对象内存空间
instance(memory);    //2.初始化对象
instance = memory;   //3.设置instance指向刚分配的内存地址,此时instance!=null

由于步骤1和步骤2间可能会重排序,如下:

memory = allocate(); //1.分配对象内存空间
instance = memory;   //3.设置instance指向刚分配的内存地址,此时instance!=null,但是对象还没有初始化完成!
instance(memory);    //2.初始化对象

由于步骤2和步骤3不存在数据依赖关系,而且无论重排前还是重排后程序的执行结果在单线程中并没有改变,因此这种重排优化是允许的。但是指令重排只会保证串行语义的执行的一致性(单线程),但并不会关心多线程间的语义一致性。所以当一条线程访问instance不为null时,由于instance实例未必已初始化完成,也就造成了线程安全问题。那么该如何解决呢,很简单,我们使用volatile禁止instance变量被执行指令重排优化即可。

  //禁止指令重排优化
  private volatile static DoubleCheckLock instance;
posted @ 2020-01-15 16:15  weigen-  阅读(887)  评论(0编辑  收藏  举报