java内存模型-基础,java内存模型

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系列目录:

  • Java内存模型深度解析:基础部分
  • Java内存模型深度解析:重排序
  • Java内存模型深度解析:顺序一致性
  • Java内存模型深度解析:volatile
  • Java内存模型深度解析:锁
  • Java内存模型深度解析:final
  • Java内存模型深度解析:总结

java内存模型-基础,java内存模型

并发编程模型的分类

在并发编程中,我们需要处理两个关键问题:线程之间如何通信及线程之间如何同步(这里的线程是指并发执行的活动实体)。通信是指线程之间以何种机制来交换信息。在命令式编程中,线程之间的通信机制有两种:共享内存和消息传递。

在共享内存的并发模型里,线程之间共享程序的公共状态,线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信。在消息传递的并发模型里,线程之间没有公共状态,线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信。

同步是指程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。在共享内存并发模型里,同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行。在消息传递的并发模型里,由于消息的发送必须在消息的接收之前,因此同步是隐式进行的。

Java的并发采用的是共享内存模型,Java线程之间的通信总是隐式进行,整个通信过程对程序员完全透明。如果编写多线程程序的Java程序员不理解隐式进行的线程之间通信的工作机制,很可能会遇到各种奇怪的内存可见性问题。

基础

Java内存模型的抽象

在java中,所有实例域、静态域和数组元素存储在堆内存中,堆内存在线程之间共享(本文使用“共享变量”这个术语代指实例域,静态域和数组元素)。局部变量(Local
variables),方法定义参数(java语言规范称之为formal method
parameters)和异常处理器参数(exception handler
parameters)不会在线程之间共享,它们不会有内存可见性问题,也不受内存模型的影响。

Java线程之间的通信由Java内存模型(本文简称为JMM)控制,JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看,JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系:线程之间的共享变量存储在主内存(main
memory)中,每个线程都有一个私有的本地内存(local
memory),本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念,并不真实存在。它涵盖了缓存,写缓冲区,寄存器以及其他的硬件和编译器优化。Java内存模型的抽象示意图如下:

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从上图来看,线程A与线程B之间如要通信的话,必须要经历下面2个步骤:

  1. 首先,线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
  2. 然后,线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

下面通过示意图来说明这两个步骤:

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如上图所示,本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本。假设初始时,这三个内存中的x值都为0。线程A在执行时,把更新后的x值(假设值为1)临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时,线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中,此时主内存中的x值变为了1。随后,线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值,此时线程B的本地内存的x值也变为了1。

从整体来看,这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息,而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互,来为java程序员提供内存可见性保证。

并发编程模型的分类

澳门新葡亰网站注册,在并发编程中,我们需要处理两个关键问题:线程之间如何通信及线程之间如何同步(这里的线程是指并发执行的活动实体)。通信是指线程之间以何种机制来交换信息。在命令式编程中,线程之间的通信机制有两种:共享内存和消息传递。

在共享内存的并发模型里,线程之间共享程序的公共状态,线程之间通过写-读内存中的公共状态来隐式进行通信。在消息传递的并发模型里,线程之间没有公共状态,线程之间必须通过明确的发送消息来显式进行通信。

同步是指程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。在共享内存并发模型里,同步是显式进行的。程序员必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行。在消息传递的并发模型里,由于消息的发送必须在消息的接收之前,因此同步是隐式进行的。

Java 的并发采用的是共享内存模型,Java
线程之间的通信总是隐式进行,整个通信过程对程序员完全透明。如果编写多线程程序的
Java
程序员不理解隐式进行的线程之间通信的工作机制,很可能会遇到各种奇怪的内存可见性问题。

重排序

在执行程序时为了提高性能,编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分三种类型:

  1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下,可以重新安排语句的执行顺序。
  2. 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术(Instruction-Level
    Parallelism,
    ILP)来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性,处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
  3. 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区,这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

从java源代码到最终实际执行的指令序列,会分别经历下面三种重排序:

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上述的1属于编译器重排序,2和3属于处理器重排序。这些重排序都可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器,JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序(不是所有的编译器重排序都要禁止)。对于处理器重排序,JMM的处理器重排序规则会要求java编译器在生成指令序列时,插入特定类型的内存屏障(memory
barriers,intel称之为memory
fence)指令,通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序(不是所有的处理器重排序都要禁止)。

JMM属于语言级的内存模型,它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上,通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序,为程序员提供一致的内存可见性保证。

Java 内存模型的抽象

在 java
中,所有实例域、静态域和数组元素存储在堆内存中,堆内存在线程之间共享(本文使用“共享变量”这个术语代指实例域,静态域和数组元素)。局部变量(Local
variables),方法定义参数(java 语言规范称之为 formal method
parameters)和异常处理器参数(exception handler
parameters)不会在线程之间共享,它们不会有内存可见性问题,也不受内存模型的影响。

Java 线程之间的通信由 Java 内存模型(本文简称为 JMM)控制,JMM
决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看,JMM
定义了线程和主内存之间的抽象关系:线程之间的共享变量存储在主内存(main
memory)中,每个线程都有一个私有的本地内存(local
memory),本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是 JMM
的一个抽象概念,并不真实存在。它涵盖了缓存,写缓冲区,寄存器以及其他的硬件和编译器优化。Java
内存模型的抽象示意图如下:

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从上图来看,线程A与线程B之间如要通信的话,必须要经历下面2个步骤:

下面通过示意图来说明这两个步骤:

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如上图所示,本地内存 A 和 B 有主内存中共享变量 x
的副本。假设初始时,这三个内存中的 x
值都为0。线程A在执行时,把更新后的x值(假设值为1)临时存放在自己的本地内存
A 中。当线程 A 和线程 B 需要通信时,线程 A
首先会把自己本地内存中修改后的 x 值刷新到主内存中,此时主内存中的 x
值变为了1。随后,线程 B 到主内存中去读取线程 A 更新后的 x 值,此时线程 B
的本地内存的 x 值也变为了1。

从整体来看,这两个步骤实质上是线程 A 在向线程 B
发送消息,而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM
通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互,来为 java
程序员提供内存可见性保证。