JVM学习笔记 05 - JMM简述

JVM 试图定义一种统一的内存模型，能将各种底层硬件，以及操作系统的内存访问差异进行封装，使 Java 程序在不同硬件及操作系统上都能达到相同的并发效果。

JMM 的结构

JMM 分为主存储器（Main Memory）和工作存储器（Working Memory）两种。

• 主存储器是实例位置所在的区域，所有的实例都存在于主存储器内。比如，实例所拥有的字段即位于主存储器内，主存储器是所有的线程所共享的。
• 工作存储器是线程所拥有的作业区，每个线程都有其专用的工作存储器。工作存储器存有主存储器中必要部分的拷贝，称之为工作拷贝（Working Copy）。

在这个模型中，线程无法对主存储器直接进行操作。如下图，线程 A 想要和线程 B 通信，只能通过主存进行交换。

那这些内存区域都是在哪存储的呢？如果非要有个对应的话，你可以认为主存中的内容是 Java 堆中的对象，而工作内存对应的是虚拟机栈中的内容。但实际上，主内存也可能存在于高速缓存，或者 CPU 的寄存器上；工作内存也可能存在于硬件内存中，我们不用太纠结具体的存储位置。

8 个 Action（原子操作类型）

为了支持 JMM，Java 定义了 8 种原子操作（Action），用来控制主存与工作内存之间的交互。

• （1）read（读取）作用于主内存，它把变量从主内存传动到线程的工作内存中，供后面的 load 动作使用。
• （2）load（载入）作用于工作内存，它把 read 操作的值放入到工作内存中的变量副本中。
• （3）store（存储）作用于工作内存，它把工作内存中的一个变量传送给主内存中，以备随后的 write 操作使用。
• （4）write （写入）作用于主内存，它把 store 传送值放到主内存中的变量中。
• （5）use（使用）作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用这个变量的指令时，将会执行这个动作。
• （6）assign（赋值）作用于工作内存，它把从执行引擎获取的值赋值给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的指令时，执行该操作。
• （7）lock（锁定）作用于主内存，把变量标记为线程独占状态。
• （8）unlock（解锁）作用于主内存，它将释放独占状态。

如上图所示，把一个变量从主内存复制到工作内存，就要顺序执行 read 和 load；而把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序执行 store 和 write 操作。

三大特征

• （1）原子性
  JMM 保证了 read、load、assign、use、store 和 write 六个操作具有原子性，可以认为除了 long 和 double 类型以外，对其他基本数据类型所对应的内存单元的访问读写都是原子的。
  如果想要一个颗粒度更大的原子性保证，就可以使用 lock 和 unlock 这两个操作。
• （2）可见性
  可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程也能立即感知到这种变化。
  我们从前面的图中可以看到，要保证这种效果，需要经历多次操作。一个线程对变量的修改，需要先同步给主内存，赶在另外一个线程的读取之前刷新变量值。
  volatile、synchronized、final 和锁，都是保证可见性的方式。
  这里要着重提一下 volatile，因为它的特点最显著。使用了 volatile 关键字的变量，每当变量的值有变动时，都会把更改立即同步到主内存中；而如果某个线程想要使用这个变量，则先要从主存中刷新到工作内存上，这样就确保了变量的可见性。
  而锁和同步关键字就比较好理解一些，它是把更多个操作强制转化为原子化的过程。由于只有一把锁，变量的可见性就更容易保证。
  （3）有序性
  Java 程序很有意思，从上面的 add 操作可以看出，如果在线程中观察，则所有的操作都是有序的；而如果在另一个线程中观察，则所有的操作都是无序的。
  除了多线程这种无序性的观测，无序的产生还来源于指令重排。
  指令重排序是 JVM 为了优化指令，来提高程序运行效率的，在不影响单线程程序执行结果的前提下，按照一定的规则进行指令优化。在某些情况下，这种优化会带来一些执行的逻辑问题，在并发执行的情况下，按照不同的逻辑会得到不同的结果。
  我们可以看一下 Java 语言中默认的一些“有序”行为，也就是先行发生（happens-before）原则，这些可能在写代码的时候没有感知，因为它是一种默认行为。
  先行发生是一个非常重要的概念，如果操作 A 先行发生于操作 B，那么操作 A 产生的影响能够被操作 B 感知到。
  下面的原则是《Java 并发编程实践》这本书中对一些法则的描述。
• 程序次序：一个线程内，按照代码顺序，写在前面的操作先行发生于写在后面的操作。
• 监视器锁定：unLock 操作先行发生于后面对同一个锁的 lock 操作。
• volatile：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。
• 传递规则：如果操作 A 先行发生于操作 B，而操作 B 又先行发生于操作 C，则可以得出操作 A 先行发生于操作 C。
• 线程启动：对线程 start() 的操作先行发生于线程内的任何操作。
• 线程中断：对线程 interrupt() 的调用先行发生于线程代码中检测到中断事件的发生，可以通过 Thread.interrupted() 方法检测是否发生中断。
• 线程终结规则：线程中的所有操作先行发生于检测到线程终止，可以通过 Thread.join()、Thread.isAlive() 的返回值检测线程是否已经终止。
• 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于它的 finalize() 方法的开始。

转载自：第18讲：大厂面试题：不要搞混 JMM 与 JVM · 深入浅出Java虚拟机 · 看云