Java并发之内存模型

Java是一门支持多线程执行的语言,要编写正确的并发程序,了解Java内存模型是重要前提。而了解硬件内存模型有助于理解程序的执行。

本文主要整理以下内容

  • Java内存模型
  • 硬件内存架构
  • 共享对象可见性
  • 竞争条件

Java内存模型

Java内存模型最新修订是在Java5。 JSR-176 罗列了 J2SE5.0 相关发布特性,包含其中的 JSR-133 (JavaTM内存模型与线程规范),java虚拟机遵循此规范。延续至今该内存模型在Java8中依然奏效。

JSR 全称 Java Specification Requests,意为Java标准化技术规范的正式请求。

Java程序运行在虚拟机上(Jvm)。从逻辑角度看,Jvm内存被划分为 线程堆栈 。每个线程都拥有自己的堆栈,该线程堆栈存储的数据不对其它线程可见。堆内存用于存储共享数据。

Java并发之内存模型

线程堆栈存储方法中所有局部变量,包含原始类型(boolean,byte,short,char,int,long, float,double)和对象引用。

堆存储需要共享对象和静态变量。

注意对象不一定都会存储到堆内存。看下面例子,假如果Object对象不需要被其它线程共享,编译器会执行 堆分配转化为栈分配

解释一下,编译器会根据 对象是否逃逸 做出优化。优化的其中一项就是 堆分配转化为栈分配 ,目的在于减轻GC压力,提升性能。此优化动作由Jvm参数-XX:+DoEscapeAnalysi 进行控制。Java8 默认开启。

测试:通过开启或关闭 -XX:+PrintGC -XX:-DoEscapeAnalysis 观察是否执行GC来判断对象存储位置。

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

Java并发之内存模型

硬件内存架构

如下图,现代计算机通常都装有2个或者更多的CPU,CPU又可以是多核。一个CPU包含一组寄存器,每个CPU具有一个高速缓存,而高速缓存又分为L1,L2,L3,L4 不同层级缓存。

RAM为主存储也就是我们说的计算机内存,所有CPU都可以读取主存储。

当CPU读取主存储数据时,它会将部分主存储数据读入CPU高速缓存中,又将缓存的中一部分读入寄存器执行,操作结束后,将值从 寄存器 刷新到 高速缓存 中, 高速缓存 在特定的时刻将数据统一刷新到内存中。

Java并发之内存模型

实际执行

事实上,上面阐述的 Java堆栈内存模型 是为了理解抽象出来的。实际执行就像下图一样,线程栈和堆的数据可能分散到硬件不同的存储区域。数据分散在不同区域会带来以下两个主要问题。

Java并发之内存模型

共享对象可见性

下面场景两个线程同时操作对象obj.count,其中一个线程对obj.count进行更新,但是对其它线程不可见。

线程A操作obj时,先从主存里拷贝一个数据副本到 CPU高速缓存 ,又到寄存器,然后修改obj.count=2后刷新到 CPU高速缓存 ,但是数据暂未同步到主存。以此同时线程B也操作obj,拷贝的数据副本仍然为obj.count=1,这会导致程序结果错误。

解决此问题,可以使用 Java volatile 关键字。 volatile 可简单理解为跳过 CPU高速缓存 ,让修改结果及时同步到主存,从而保证了其它线程读到最新值。 volatile 后期专门介绍。

Java并发之内存模型

竞争条件

另外一种情况假如果多个线程同时更行obj.count,这时会发生 竞争条件

解决方法,使用 Java synchronized 保证线程执行顺序,另外 synchronized 包裹中的所有变量都直接从主存读取(跳过 CPU高速缓存 ),并且当线程退出 synchronized 后,所有更新的变量将同步到主存。

Java并发之内存模型

总结

本文记录Java内存模型,其中主要内容来源于 Jakob Jenkov 大神博客

欢迎大家留言交流,一起学习分享!!!

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

原文 

https://www.onlythinking.com/2020/06/08/java并发之内存模型/

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