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JMM之主内存与工作内存

  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底层细节。此处的变量与Java编程时所说的变量不一样,指包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素,但是不包括局部变量与方法参数,后者是线程私有的,不会被共享。
  Java内存模型中规定了所有的变量都存储在 主内存 中,每条线程还有自己的 工作内存(可以与前面将的处理器的高速缓存类比),线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量到主内存副本拷贝,线程对变量的所有操作(读取、赋值)都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量。不同线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要在主内存来完成,线程、主内存和工作内存的交互关系如下图所示,和处理器、高速缓存、主内存间的相互关系很类似。
  
  这里的主内存、工作内存和 java内存区域中的堆、栈、方法区这两者本 并不是同一个层次的内存划分, 这两者基本上是没有关系的。如果一定要勉强对应,那从变量、主内存、工作内存的定义来看,主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分,而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。 从更低层次上说,主内存就是物理内存,而为了获取更好的执行速度,虚拟机(甚至是硬件系统本身的优化措施)可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中,因为运行时主要访问——读写的是工作内存。

注意: 工作内存只会拷贝对象的引用,而不是直接拷贝整个对象,对象在堆中生成,对所有对象都是可见的。

主内存与工作内存之间的通信

  Java线程之间的通信由Java内存模型(本文简称为JMM)控制,JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看,JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系:线程之间的共享变量存储在主内存(main memory)中,每个线程都有一个私有的本地内存(local memory),本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念,并不真实存在。它涵盖了缓存,写缓冲区,寄存器以及其他的硬件和编译器优化。
  

内存间交互操作

  关于主内存与工作内存之间的具体交互协议,即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到主内存之间的实现细节,Java内存模型定义了以下八种操作来完成, JVM实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的(double和long类型的变量有点特殊,在后面分析)
  1).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状态。
  2).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,释放后的变量可以被其他线程锁定。
  3).read(读取):作用于主内的变量,把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用。
  4).load(载入):作用于工作内存的变量,把read读取操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量拷贝中。
  5).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java虚拟机执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量值的字节码指令时将会执行该操作。
  6).assign(赋值):作用于工作内存变量,把一个从执行引擎接收到的变量的值赋值给工作变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码时将会执行该操作。
  7).store(存储):作用于工作内存的变量,把工作内存中一个变量的值传送到主内存中,以便随后的write操作使用。
  8).write(写入):作用于主内存的变量,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。

  如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存,就需要按顺寻地执行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。
  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。也就是read和load之间,store和write之间是可以插入其他指令的,如对主内存中的变量a、b进行访问时,可能的顺序是read a,read b,load b, load a。Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时,必须满足如下规则:
  1).把一个变量从主内存复制到工作内存中必须顺序执行read读入操作和load载入操作。把一个变量从工作内存同步回主内存中必须顺序执行store存储操作和write写入操作。
  2).read和load操作之间、store和write操作之间可以插入其他指令,但是read和load操作、store和write操作必须要按顺序执行,即不允许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的assign赋值操作,即工作内存变量值改变之后必须同步回主内存。只有发生过assign赋值操作的变量才需要从工作内存同步回主内存。
  4).一个新变量只能在主内存中产生,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,即一个变量在进行use和store操作之前,必须先执行过assgin和load操作。
  5).一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock锁定操作,但是lock锁定可以被一条线程重复执行多次,多次执行lock之后,只有执行相同次数的unlock操作变量才会被解锁。
  6).如果对一个变量执行lock锁定操作,将会清空工作内存中该变量的值,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锁定,则不允许对这个变量进行unlock解锁操作,也不允许对一个被别的线程锁定的变量进行unlock解锁。
  8).一个变量进行unlock解锁操作之前,必须先把此变量同步回主内存中(执行store和write操作)。
  
  volatile是JVM提供的最轻量级的同步机制。在介绍对volatile型变量的特殊规则前,先看看 下面的“volatile”知识
  当一个变量被声明为volatile之后,JMM对其做了特殊规则:
  1).volatile变量的操作必须严格按load->use顺序,前一个动作是load时才能执行use动作,后一个动作是use时才能执行load动作,即每次在工作内存中使用变量前必须先从主内存中刷新最新的值,以保证能看到其他线程对变量的最新修改。
  2).volatile变量的操作必须严格按assign->store顺序,前一个动作是assign时才能执行store动作,后一个动作是store时才能执行assign动作,即每次在工作内存为变量赋值之后必须将变量的值同步回主内存,以保证让其他线程能看到变量的最新修改。
  3).若线程对volatile变量V的assign或者use操作先于对volatile变量W的assign或者use操作,则线程对volatile变量A的read/load或者store/write操作也必定先于对volatile变量B的read/load或者store/write操作。

  这8种内存访问操作以及上述规定限定,再加上volatile的一些特殊规定,就已经完全确定了Java程序中哪些内存访问操作在并发下是安全的。由于这种定义相当严谨但又十分烦琐,实践起来很麻烦。所以可以认为等效为 – happens-before

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