Java高并发（二） - Java 内存模型与线程

Java内存模型与线程.png

Java高并发（一）- 并发编程的几个基本概念
Java高并发（二） - Java 内存模型与线程
Java高并发（三） - CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore
Java高并发（四） - Java 原子类详解
Java高并发（五） - 线程安全策略
Java高并发（六） - 锁的优化及 JVM 对锁优化所做的努力

一. 硬件的效率一致性

• 引入高速缓存

由于计算机的【存储设备】与【处理器】的运算速度有几个数量级的差距，所以现代计算机不得不加入一层读写速度接近处理器 运算速度的【高速缓存（Cache）】来作为内存与处理器之间的缓冲：

将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存中，这样处理器就无需等待缓慢的内存读写。

• 引入高速缓存 -- 解决缓存一致性问题

基于高速缓存的存储交互很好的解决了处理器与内存的速度矛盾，但引入了一个新问题：缓存一致性。

在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而他们共享同一主内存，当多处理器的运算任务都涉及同一款主内存区域时，将导致各自数据不一致。

为解决一致性问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时根据协议来进行操作。协议有：MSI，MESI，MOSI，Synapse，Firefly 及 Dragon Protocol。

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• 允许代码乱序执行

为使得处理器内部运算单元尽量充分利用，处理器可能【对输入的代码乱序执行优化】。处理器在计算之后将乱序执行结果重组，保证该结果与顺序执行的结果一致，但并不保证程序中各个语句计算先后顺序与输入时一致。

二. Java 内存模型

JVM 规范中定义一种 【Java 内存模型】来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的一致的内存访问效果。

JVM 的【即时编译器】也有【指令重排序优化】。

在 JVM 内部，Java 内存模型把内存分成了两部分：线程栈区 和 堆区

内存模型实现.jpeg

Java 内存模型规定了所有变量存储在【主内存】（与物理硬件中主内存类比），每个线程有自己的【工作内存】（与高速缓存类比），线程工作内存中保存了该线程使用到的变量的【主内存副本的拷贝】。

线程对变量的所有操作（读取 和 赋值）都必须在工作内存进行，而不能直接读取主内存中的变量。线程间的变量传递均通过主内存来传递。

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主内存：对应于 Java 堆中的对象实例数据部分。

工作内存：对应于虚拟机栈中的部分区域。

8 种同步操作

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Lock（锁定）：作用于【主内存】的变量，它把一个变量标识为一条线程独立的状态。

UnLock（解锁）：作用于【主内存】的变量，它把一个处于 Lock 状态的变量释放。

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，以便随后进行 Load 操作。

Load（载入）：作用于【工作内存】的变量，它把 Read 操作从【主内存】的变量放入【工作内存】的变量副本中。

Use（使用）：作用于【工作内存】的变量，它把【工作内存】的变量的值传递给【执行引擎】，每当虚拟机遇到一个需要使用到的变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

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将会执行这个操作。

Store（存储）：作用于【工作内存】的变量，它把【工作内存】的变量传送到【主内存】中，以便随后的 Write 操作。

Write（写入）：作用于【主内存】的变量，它把 Store 操作从 【主内存】得到的变量的值放入【主内存】的变量中。

8 种同步规则

不允许 read 和 Load， Store 和 Write 操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况。

不允许一个线程丢弃它的最近的 Assign 操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。

不允许一个线程无原因的（没有发生任何Assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存。

一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（Load 或 Assign）的变量，就是在对一个变量实施 Use 和 Store 操作之前，必须先执行过 Assign 和 Load 操作。

如果对一个变量执行 Lock 操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行 Load 和 Assign 操作初始化变量的值。

如果对一个变量事先没有被 Lock 锁定，就不允许对它执行 UnLock 操作，也不允许去 UnLock 一个被其他线程锁定的变量。

对一个变量执行 UnLock 操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行 Store，Write 操作）。

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