Java並發內存模型詳情

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Java是一門支持多線程執行的語言，要編寫正確的並發程序，瞭解Java內存模型是重要前提。而瞭解硬件內存模型有助於理解程序的執行。

本文主要整理以下內容

  • Java內存模型
  • 硬件內存架構
  • 共享對象可見性
  • 競爭條件

1、Java內存模型

Java內存模型最新修訂是在Java5。 JSR-176 羅列瞭 J2SE5.0 相關發佈特性，包含其中的 JSR-133（JavaTM內存模型與線程規范），java虛擬機遵循此規范。延續至今該內存模型在Java8中依然奏效。

JSR 全稱 Java Specification Requests，意為Java標準化技術規范的正式請求。

Java程序運行在虛擬機上（Jvm）。從邏輯角度看，Jvm內存被劃分為線程堆棧和堆。每個線程都擁有自己的堆棧，該線程堆棧存儲的數據不對其它線程可見。堆內存用於存儲共享數據。

線程堆棧存儲方法中所有局部變量，包含原始類型（boolean，byte，short，char，int，long， float，double）和對象引用。

堆存儲需要共享對象和靜態變量。

註意：對象不一定都會存儲到堆內存。看下面例子，假如果Object對象不需要被其它線程共享，編譯器會執行堆分配轉化為棧分配。

解釋一下，編譯器會根據對象是否逃逸做出優化。優化的其中一項就是堆分配轉化為棧分配，目的在於減輕GC壓力，提升性能。此優化動作由Jvm參數-XX:+DoEscapeAnalysi 進行控制。Java8 默認開啟。

測試：通過開啟或關閉 -XX:+PrintGC -XX:-DoEscapeAnalysis 觀察是否執行GC來判斷對象存儲位置。

public static void main(String[] args){
     for(int i = 0; i < 10000000; i++){
         createObj();
     }
 }
 public static void createObj(){
     new Object();
 }

2、硬件內存架構

如下圖，現代計算機通常都裝有2個或者更多的CPU，CPU又可以是多核。一個CPU包含一組寄存器，每個CPU具有一個高速緩存，而高速緩存又分為L1，L2，L3，L4 不同層級緩存。

RAM為主存儲也就是我們說的計算機內存，所有CPU都可以讀取主存儲。

當CPU讀取主存儲數據時，它會將部分主存儲數據讀入CPU高速緩存中，又將緩存的中一部分讀入寄存器執行，操作結束後，將值從寄存器刷新到高速緩存中，高速緩存在特定的時刻將數據統一刷新到內存中。

3、實際執行

事實上，上面闡述的Java堆棧內存模型是為瞭理解抽象出來的。實際執行就像下圖一樣，線程棧和堆的數據可能分散到硬件不同的存儲區域。數據分散在不同區域會帶來以下兩個主要問題。

3.1 共享對象可見性

下面場景兩個線程同時操作對象obj.count，其中一個線程對obj.count進行更新，但是對其它線程不可見。

線程A操作obj時，先從主存裡拷貝一個數據副本到CPU高速緩存，又到寄存器，然後修改obj.count=2後刷新到CPU高速緩存，但是數據暫未同步到主存。以此同時線程B也操作obj，拷貝的數據副本仍然為obj.count=1，這會導致程序結果錯誤。

解決此問題，可以使用Java volatile關鍵字。volatile可簡單理解為跳過CPU高速緩存，讓修改結果及時同步到主存，從而保證瞭其它線程讀到最新值。volatile 後期專門介紹。

3.2 競爭條件

另外一種情況假如果多個線程同時更行obj.count，這時會發生競爭條件。

解決方法，使用Java synchronized 保證線程執行順序，另外synchronized包裹中的所有變量都直接從主存讀取（跳過CPU高速緩存），並且當線程退出synchronized後，所有更新的變量將同步到主存。

總結：

本文記錄Java內存模型，其中主要內容來源於 Jakob Jenkov 大神博客。

   http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/java-memory-model.html

到此這篇關於Java並發內存模型詳情的文章就介紹到這瞭,更多相關Java並發內存模型內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

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