Java并发编程 Java内存模型

JVM内存结构 VS Java内存模型 VS Java对象模型

• 整体方向
• JVM内存结构，和Java虚拟机的运行时区域有关。
• Java内存模型，和Java的并发编程有关。
• Java对象模型，和Java对象在虚拟机中表现形式有关。

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Java对象模型

• Java对象自身的存储模型
• JVM会给这个类创建一个instanceKlass,保存在方法区，用来在JVM层表示该Java类。
• 当我们在Java代码中，使用new创建一个对象的时候，JVM会创建一个instanceOopDesc对象，这个对象中包含了对象头以及实例数据。

1.内存模型

内存模型：在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象
Java内存模型主要关注JVM中把把变量值存储到内存和从内存中取出变量值这样的底层细节

• 所有变量(共享的)都存储在主内存中，每个线程都有自己工作内存;工作内存中保存该线程使用到的变量的主内存副本拷贝
• 线程对变量的所有操作(读、写)都应该在工作内存中完成
• 不同线程不能相互访问工作内存，交互数据要通过主内存

为什么需要JMM

JMM即为JAVA 内存模型（java memory model）。因为在不同的硬件生产商和不同的操作系统下，内存的访问逻辑有一定的差异，结果就是当你的代码在某个系统环境下运行良好，并且线程安全，但是换了个系统就出现各种问题。Java内存模型，就是为了屏蔽系统和硬件的差异，让一套代码在不同平台下能到达相同的访问结果

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2.内存间的交互操作

Java内存模型规定了一些操作来实现内存间交互,JVM会保存证它们是原子的

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lock：锁定,把变量标识为线程独占，作用于主内存变量
unlock：解锁，把锁定的变量释放，别的线程才能使用，作用于主内存变量
read：读取，把变量值从主内存读取到工作内存
load：载入，把read读取到的值放入工作内存的变量副本中
use：使用，把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎
assign：赋值，把从执行引擎接收到的值赋给工作内存里面的变量
store：存储，把工作内存中一个变量的值传递到主内存中
write：写入，把store进来的数据存放到主内的变量中

3.内存间交互操作的规则

1. 如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存, 就需要按顺序地执 行read和load操作 , 如果把变量从工作内存中同步回主内存中, 就要按顺序地执行store和write操作. 但Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行,而没有保证必须是连续执行
2. 不允许read和load、 store和write操作之一单独出现
3. 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作,即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中
4. 不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从工作内存同步回主内存中
5. 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。 即就是对一个变量实施use和store操作之前 , 必须先执行过了assign和load操作
6. 一个变量在同一时刻只允许一条线程对 其进行lock操作 , 但lock操作可以被同一条线程重复执行多次,多7. 次执行lock后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。lock和unlock必须成对出现
   如果对一个变量执行lock操作,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或assign操作初始化变量的值
7. 如果一个变量事先没有被lock操作锁定 , 则不允许 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
8. 对一个变量执行unlock操作之前 , 必须先把此变量同步到主内存中(执行store和write操作)

4.重排序

4.1重排序的代码案例

/**
 * 描述：     演示重排序的现象 “直到达到某个条件才停止”，测试小概率事件
 */
public class OutOfOrderExecution {

    private static int x = 0, y = 0;
    private static int a = 0, b = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int i = 0;
        for (; ; ) {
            i++;
            x = 0;
            y = 0;
            a = 0;
            b = 0;

            CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);

            Thread one = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        latch.countDown();
                        latch.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    a = 1;
                    x = b;
                }
            });
            Thread two = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        latch.countDown();
                        latch.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    b = 1;
                    y = a;
                }
            });
            two.start();
            one.start();
            latch.countDown();
            one.join();
            two.join();

            String result = "第" + i + "次（" + x + "," + y + ")";
            if (x == 0 && y == 0) {
                System.out.println(result);
                break;
            } else {
                System.out.println(result);
            }
        }
    }


}

x,y 可以是0,1 1,0 1,1 不可能是0,0 但是输出结果

省略...
第133601次（0,1)
第133602次（0,1)
第133603次（0,1)
第133604次（1,0)
第133605次（0,0)

Process finished with exit code 0

会出现x=0，y=0？那是因为重排序发生了，4行代码的执行顺序的其中一种可能：
y = a;
a = 1;
x = b;
b = 1;

重排序的例子、什么是重排序

在线程1内部的两行代码的实际执行顺序和代码在Java文件中的顺序不一致，代码指令并不是严格按照代码语句顺序执行的，它们的顺序被改变了，这就是重排序，这里被颠倒的是y=a和b=1这两行语句。

4.2 重排序的好处：提高处理速度

• 对比重排序前后的指令优化
  
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重排序明显提高了处理速度

4.3 重排序的3种情况

• 编译器优化：
  包括JVM，JIT编译器等
• CPU指令重排：
  就算编译器不发生重排，CPU也可能对指令进行重排
• 内存的"重排序"：
  线程A的修改线程B却看不到，引出可见性问题
  程序执行一段代码，写一个普通的共享变量，其可能先被写到缓冲区然后再被写到主内存，此时指令完成的时间就被推迟了。看上去像"重排序"

5.可见性

public class FieldVisibility {
     int a = 1;
     int b = 2;

    private void change() {
        a = 3;
        b = a;
    }


    private void print() {
        System.out.println("b=" + b + ";a=" + a);
    }

    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            FieldVisibility test = new FieldVisibility();
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    test.change();
                }
            }).start();

            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        Thread.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    test.print();
                }
            }).start();
        }
    }
}

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而b其它线程恰好可见

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可见性是什么？（通俗易懂）

a b 前面加上volatile 关键字，解决可见性问题

    volatile int a = 1;
    volatile int b = 2;

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为什么会有可见性问题？

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CPU有多级缓存，导致读的数据过期：

• 高速缓存的容量比主内存小，但是速度仅次于寄存器，所以在CPU和主内存之间就多了Cache层；
• 线程间的对于共享变量的可见性问题不是直接由多核引起的，而是由多缓存引起的；
• 如果所有的核心只有一个缓存，那就不会出现内存可见性问题；
  但是每个核心都会将自己需要的数据读到独占的缓存中，数据修改后也是写入到缓存中，然后等待刷入到主存中，所以会导致有些核心读取的值是一个过期的值。

总结：

所有的共享变量存在于主内存中，每个线程有自己的本地内存，而且线程读写共享数据也是通过工作内存交换，但是存在延迟的情况，所以导致可见性问题的出现。