进程线程内存模型详解

之前虽然一直用java的线程，但是还是没有把线程的内存模型搞清楚，遂整理一下

Java内存模型即Java Memory Model，简称JMM。JMM定义了Java 虚拟机(JVM)在计算机内存(RAM)中的工作方式。JVM是整个计算机虚拟模型，所以JMM是隶属于JVM的。

• 线程的通信

通俗讲就是线程交换信息。在命令式编程中，线程的通信机制有两种 : 共享内存 + 消息传递

1 在共享内存的并发模型中，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通信。 其中典型的共享内存通信方式就是通过共享对象进行通信，常用的如 volatile 关键字。
2 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示进行通信，在java中典型的消息传递方式是wait()和notify()。

• 线程同步的机制

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。(典型的如信号量机制)

• 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。

• java内存模型

上面讲到了Java线程之间的通信采用的是过共享内存模型，这里提到的共享内存模型指的就是Java内存模型(简称JMM)，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。

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说明，如果此时线程A要和线程B进行通信，就必须通过将本地共享变量的修改刷新到主内存中，然后由另外一个线程读取主内存中共享变量的值。
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。

• JVM对Java内存模型的实现

  
  
  

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JMM将内存分为 线程栈和堆区
JVM中运行的每个线程都拥有自己的线程栈，线程栈包含了当前线程执行的方法调用相关信息，我们也把它称作调用栈。随着代码的不断执行，调用栈会不断变化。
线程栈还包含了当前方法的所有本地变量信息。一个线程只能读取自己的线程栈，也就是说，线程中的本地变量对其它线程是不可见的。即使两个线程执行的是同一段代码，它们也会各自在自己的线程栈中创建本地变量，因此，每个线程中的本地变量都会有自己的版本。

所有原始类型(boolean,byte,short,char,int,long,float,double)的本地变量都直接保存在线程栈当中，对于它们的值各个线程之间都是独立的。对于原始类型的本地变量，一个线程可以传递一个副本给另一个线程，但它们之间是无法共享的。
堆区包含了Java应用创建的所有对象信息，不管对象是哪个线程创建的，其中的对象包括原始类型的封装类(如Byte、Integer、Long等等)。不管对象是属于一个成员变量还是方法中的本地变量，它都会被存储在堆区。

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一个本地变量如果是原始类型，那么它会被完全存储到栈区。
一个本地变量也有可能是一个对象的引用，这种情况下，这个本地引用会被存储到栈中，但是对象本身仍然存储在堆区。
对于一个对象的成员方法，这些方法中包含本地变量，仍需要存储在栈区，即使它们所属的对象在堆区。
对于一个对象的成员变量，不管它是原始类型还是包装类型，都会被存储到堆区。
Static类型的变量以及类本身相关信息都会随着类本身存储在堆区。
堆中的对象可以被多线程共享。如果一个线程获得一个对象的引用，它便可访问这个对象的成员变量。如果两个线程同时调用了同一个对象的同一个方法，那么这两个线程便可同时访问这个对象的成员变量，但是对于本地变量，每个线程都会拷贝一份到自己的线程栈中。

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• 硬件内存架构

  
  
  

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当对象和变量存储到计算机的各个内存区域时，必然会面临一些问题，其中最主要的两个问题是：

1. 共享对象对各个线程的可见性
2. 共享对象的竞争现象

共享对象的可见性
当多个线程同时操作同一个共享对象时，如果没有合理的使用volatile和synchronization关键字，一个线程对共享对象的更新有可能导致其它线程不可见。
下图展示了上面描述的过程。左边CPU中运行的线程从主存中拷贝共享对象obj到它的CPU缓存，把对象obj的count变量改为2。但这个变更对运行在右边CPU中的线程不可见，因为这个更改还没有flush到主存中：

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为解决共享对象可见性这个问题，我们可以使用volatile关键字。volatile关键字可以保证变量会直接从主存读取，而对变量的更新也会直接写到主存。

竞争现象

如图所示，两个线程同时对主存中一个变量进行修改(+1操作), 但是又于双方拿到的数据都是对方未回写之前的，因此存在典型的CAS问题。

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解决方法: sychronized 代码块
1 synchronized代码块可以保证同一个时刻只能有一个线程进入代码竞争区。( 互斥性)
2 synchronized代码块也能保证代码块中所有变量都将会从主存中读，当线程退出代码块时，对所有变量的更新将会flush到主存，不管这些变量是不是volatile类型的。( 保证代码块中变量同步主存)

• 支撑Java内存模型的基础原理

内存屏障
上面java内存模型中讲到的volatile是基于Memory Barrier实现的。

如果一个变量是volatile修饰的，JMM会在写入这个字段之后插进一个Write-Barrier指令，并在读这个字段之前插入一个Read-Barrier指令。这意味着，如果写入一个volatile变量，就可以保证：
1 一个线程写入变量a后，任何线程访问该变量都会拿到最新值。
2 在写入变量a之前的写入操作，其更新的数据对于其他线程也是可见的。因为Memory Barrier会刷出cache中的所有先前的写入。

参考:
1 全面理解Java内存模型
2 volatile和synchronized的区别