Java内存模型(JMM)

Java内存模型(JMM)

马草原 604 2022-05-14

Java内存模型(JMM)

Java内存模型是一种Java虚拟机规范,目标是为了屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异,以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

硬件(CPU)

因为CPU的执行速度要远快于RAM的访问速度,因此CPU运算期间的临时数据频繁和RAM交互会极大的降低性能,RAM将成为CPU的性能瓶颈。因此CPU设计人员设计了CPU高速缓存,常见的分层为L1、L2、L3级缓存,每层缓存的速度和容量不同。这样设计可以让程序运行期间的临时数据存储在CPU高速缓存中,从而避免了频繁访问RAM带来的性能问题。

存在缓存,就必定有缓存数据同步问题。

CPU架构:

可以看到高速缓存的存在
cpu

CPU参数页

5800x

操作系统

不同操作系统有自己的内存模型,如果Java直接使用操作系统的内存模型将无法做到跨平台运行。

指令重排序

为了提升执行速度/性能,计算机在执行程序代码的时候,会对指令进行重排序。

常见的指令重排序有下面 2 种情况:

  • 编译器优化重排:编译器(包括 JVM、JIT 编译器等)在不改变单线程程序语义的前提下,重新安排语句的执行顺序。
  • 指令并行重排: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。

Java 源代码会经历 编译器优化重排 —> 指令并行重排 —> 内存系统重排 的过程,最终才变成操作系统可执行的指令序列。

指令重排序可以保证串行语义一致,但是没有义务保证多线程间的语义也一致 ,所以在多线程下,指令重排序可能会导致一些问题。

编译器和处理器的指令重排序的处理方式不一样。对于编译器,通过禁止特定类型的编译器重排序的方式来禁止重排序。对于处理器,通过插入内存屏障(Memory Barrier,或有时叫做内存栅栏,Memory Fence)的方式来禁止特定类型的处理器重排序。指令并行重排和内存系统重排都属于是处理器级别的指令重排序。

内存屏障

内存屏障(Memory Barrier,或有时叫做内存栅栏,Memory Fence)是一种 CPU 指令,用来禁止处理器指令发生重排序(像屏障一样),从而保障指令执行的有序性。另外,为了达到屏障的效果,它也会使处理器写入、读取值之前,将主内存的值写入高速缓存,清空无效队列,从而保障变量的可见性。

JMM 线程内存和主内存之间的关系

Java 内存模型(JMM) 抽象了线程和主内存之间的关系,就比如说线程之间的共享变量必须存储在主内存中。

JDK1.2之前,Java 的内存模型实现总是从主存RAM(即共享内存)读取变量,是不需要进行特别的注意的。而在当前的 Java 内存模型下,线程可以把变量保存本地内存(比如机器的寄存器)中,而不是直接在主存中进行读写。这就可能造成一个线程在主存中修改了一个变量的值,而另外一个线程还继续使用它在寄存器中的变量值的拷贝,造成数据的不一致。

这和CPU缓存模型非常相似。

什么是主内存?什么是本地内存?

  • 主内存: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,还是局部变量,类信息、常量、静态变量都是放在主内存中。为了获取更好的运行速度,虚拟机及硬件系统可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中。
  • 本地内存:每个线程都有一个私有的本地内存,本地内存存储了该线程以读 / 写共享变量的副本。每个线程只能操作自己本地内存中的变量,无法直接访问其他线程的本地内存。如果线程间需要通信,必须通过主内存来进行。本地内存是 JMM 抽象出来的一个概念,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。

jmm

线程1和线程2分别对同一个共享变量进行操作,一个执行修改,一个执行读取。线程2读取到的是线程1修改之前的值还是修改后的值并不确定,都有可能,因为线程1和线程2都是先将共享变量从主内存拷贝到对应线程的工作内存中。

Java 内存模型定义来以下八种同步操作:

  • 锁定(lock): 作用于主内存中的变量,将他标记为一个线程独享变量。
  • 解锁(unlock): 作用于主内存中的变量,解除变量的锁定状态,被解除锁定状态的变量才能被其他线程锁定。
  • read(读取):作用于主内存的变量,它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的 load 动作使用。
  • load(载入):把 read 操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量的副本中。
  • use(使用):把工作内存中的一个变量的值传给执行引擎,每当虚拟机遇到一个使用到变量的指令时都会使用该指令。
  • assign(赋值):作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
  • store(存储):作用于工作内存的变量,它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中,以便随后的 write 操作使用。
  • write(写入):作用于主内存的变量,它把 store 操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

JMM使用内存屏障和禁止重排序为共享变量提供了可见性的保障。