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浅谈Java并发编程系列(二)—— Java内存模型

 
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物理计算机并发问题

在介绍Java内存模型之前,先简单了解下物理计算机中的并发问题。由于处理器的与存储设置的运算速度有几个数量级的差距,所以现代计算机加入一层读写速度尽可能接近处理器的高速缓存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,这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。

基于高速缓存的存储交互引入一个新的问题: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,而它们又共享同一主存,如图2-1所示

浅谈Java并发编程系列(二)—— Java内存模型

当多个处理器的运算任务都涉及同一块内存区域时,将可能导致各自的缓存数据不一致,此时,同步回主内时以谁的缓存数据为准。为了解决一致性问题,需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议,在读写时要根据协议来进行操作。

除了增加高速缓存外,为了使处理器内部的运算单元能够充分被利用,处理器可能对输入代码进行乱序执行优化,处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组,保证与顺序执行的结果一致,但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的一致,因此, 如果存在一个计算任务依赖另一个计算任务的中间结果,那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。

Java 内存模型

主内存与工作内存

Java内存模型规定了所有变量都存储在主内存中(此处主内存与物理计算机的主内存名字一样,可以类比,但此处仅是虚拟机内存的一部分),这里的变量包括实例字段,静态字段和构成数组对象的元素,但不包括局部变量和方法参数,因为后者是线程私用的。每个线程还有自己的工作内存(可与处理器的高速缓存类比),线程的工作内存中保存了被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(读写等)都必须在工作内存中,不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也不能直接访问对方工作内存中的变量,线程间的变量值的传递必须通过主内存来完成。 线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图2-2

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内存间交互操作

Java内存模型定义了8种操作来完成一个变量如何从主内存拷贝到工作内存,如何从工作内存同步回主内存的实现细节。虚拟机在实现时必须保证每一种操作都是原子的,不可再分的(double和long类变量允许例外)。

  • lock(锁定) : 作用于主内存的变量,把一个变量标识为一个线程独占的状态。

  • unlock(解锁):作用于主内存的变量,把一个处于锁定状态的变量解锁,解锁后的变量才可以被其他线程锁定。

  • read(读取) : 作用于主内存的变量,把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存,以便随后的load动作使用。

  • load(载入):作用于主内存的变量,把read操作从主内存中得到的变量值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,把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用的变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

  • assign(赋值):作用于工作内存变量,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):作用于工作内存变量,把工作内存中一个变量的值传递到主内存中,以便随后的write操作使用。

  • write(写入):作用于主内存变量,把store操作从工作内存中得到的变量值放入主内存的变量中。

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Java内存模型规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则:

  • read 和load ,store和write 必须成对操作

  • 不允许线程丢弃assign操作,变量在工作内存中改变后必须把该变化同步回主内存

  • 没有assign操作,不允许变量从工作内存同步回主内存

  • 新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的变量(load或assign),即对一个变量实时use和store之前必须先执行过assign和load操作

  • 一个变量同一时刻只允许一条线程lock操作,但lock操作可以多次,执行相同数量的unlock,变量才会解锁

  • lock操作会清空工作内存副本,执行引擎使用前,需要重新执行load或者assign操作初始化变量的值

  • 没有lock操作,就不允许unlock操作。不允许unlock另一个线程变量。

  • unlock操作前必须先store,write操作,同步回主内存中。

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