欲穷千里目之JVM (五)

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     You have a dream, you got to protect it. People can't do something by themselves; they wanna tell you you can not do it. You want something. Go get it! 

  本文将介绍Java内存模型———JMM,知识来源于《深入理解Java虚拟机》 。

在我们了解Java内存模型前,我们先说一说什么是CPU内存模型有利于加深我们对Java内存模型的理解。

  我们都知道CPU与磁盘存储介质的运算速度有着数量级的差距,不得不加上一个高速缓存器来作为中间缓冲:将要运算的数据从主存中复制到缓存中,处理器处理完后将结果复制回主存,这样可以使得处理器更加高效而不必浪费在I/O读写上。但是这就引发了一个问题:缓存一致性。在当前的计算机中都存在着多个处理器,每一个处理器都有自己的高速缓存,但是它们都共享主存,当多处理器操作同一个内存区域,这就可能导致缓存不一致。


所以为解决这一个问题,需要各个处理器访问缓存都遵循一些原则比如MESI MSI等。

CPU对数据的处理必须是原子的,在操作数据过程中不能被其他打断,要保证原子性;多个CPU对数据进行处理时,应该保证一个CPU的操作对于其他的CPU是可见的,也就是要遵循缓存一致性协议;除此之外,各CPU处理数据应该是有序,处理器内部充分利用运算单元 可使用指令重排机制优化。

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则,即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。

Java内存模型定义了8种操作来完成主内存与工作内存之间的交互,虚拟机实现时必须保证每一种操作都是原子的、不可再分割的:

lock(锁定):作用于主内存的变量,把一个变量标识为一条线程独占的状态;
unlock(解锁):作用于主内存的变量,把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量可被其他线程锁定;
read(读取):作用于主内存的变量,把一个变量的值从主内存中传输到线程工作内存,以便于随后的load操作;
laod(载入):作用于工作内存的变量,把read操作从主内存中的数据放入到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值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用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,把一个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将会执行这个操作;
store(存储):作用于工作内存的变量,把工作内存中一个变量传送到主内存中,以便于随后的write操作使用;
write(写入):作用于主内存的变量,将store操作从工作内存中得到的变量值放入到主内存变量中。

Java内存模型还规定了执行上述8种基本操作时必须满足的的8条规则:

不允许read 和load、store、write操作单独出现;
不允许一个线程丢弃它的最近assign操作;
不允许一个线程无原因地把数据从线程的工作内存同步到主内存中;
一个变量只能子啊主内存中诞生,不允许再工作内存中直接使用一个未被初始化的变量;
一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作,lock操作可以进行多次操作,但是必须执行相同次数的unlock才会解锁;对一个变量执行lock操作,将会清空工作内存中次变量的值。在执行引擎使用这个变量前,需要重新执行load或者assign操作初始化变量的值;一个变量没有执行过lock就不能对其执行unlock,不能去解除其他线程的unlock;对一个变量执行unlock操作之前,必须先把次变量同步到主内存中。

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性3个特征来建立的,下面来看哪些东西保证这三性的操作:

不得不说volatile这个关键字,这个关键字保证了可见性、有序性 和有限的原子性,但是禁止了指令重排。先来分析volatile的特性,保证被volatile修饰的变量对所有线程是可见的,这里的可见是说,当一条线程修改了这个变量的值,新的变量值对于其他线程来说的立即得知的。         由于volatile变量只能保证可见性,是不完全保证原子性的,在不符合下面两条规则的运算场景中,将需要通过加锁(使用synchronized和JUC包中的原子类)来保证原子性。

运算结果并不依赖变量的当前值,或者能够确保只有在单一线程修改变量的值;
变量不需要与其他状态变量共同参与不变约束。

如果应用场景需要更大范围内的原子性保证,Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求。

Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步到主内存中,在变量读取前从主内存刷新变量值来实现可见性。除了volatile之外,Java还有两个关键字可以实现可见性,即synchronized和final。

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性,volatile包含了禁止指令重排的语义,sychronized则“一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”规则,这条规则决定持有同一个锁的两个同步块只能串行进入。

先行发生原则

先行发生原则是Java内存模型定义两操作之间偏序关系,这个原则非常重要,它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据,依靠这个原则,可以通过几条规则很好地解决并发环境下两个操作之间是否可能存在的冲突的所有问题。

程序次序规则:在一个线程内,按照程序代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。确切的说是,控制流顺序而不是程序代码顺序,要考虑循环、分支等结构。

管程锁定规则:一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作,这里的锁是同一把锁,后面则是时间顺序。

volatile变量规则:对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。

线程启动规则:Thread对象的start()方法先行于词线程的每一个动作。

线程终止规则:线程中所有动作都先行于对此线程的终止检测,可以通过Thread.join()方法结束、Thread().isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。

线程中断规则:线程的interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程代码检测到中断事件的发生,可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。

对象终结规则:一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的finalize()方法的开始。

传递性:如果一个操作先行发生于另一个操作,另一个操作又先行发生在另一个操作,可以认为第一个操作先行发生于第三 个操作。

至此JMM知识点大概过了一遍,其中还有很多细节值得去深究,本文只做初步研究,日后还会再更加深入理解Java内存模型。在下一篇文章,将会对线程安全与锁优化进行分析。


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