深入解析JMM原理

本是古典何须时尚 2023-02-17 03:41 29阅读 0赞

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![架构殿堂][20200415234301759.jpg]

## 概念 ##

Java内存模型(Java Memory Model，JMM)JMM主要是为了规定了线程和内存之间的一些关系。根据JMM的设计，系统存在一个主内存(Main Memory)，Java中所有变量都储存在主存中，对于所有线程都是共享的。每条线程都有自己的工作内存(Working Memory)，工作内存中保存的是主存中某些变量的拷贝，线程对所有变量的操作都是在工作内存中进行，线程之间无法相互直接访问，变量传递均需要通过主存完成。

## 特性 ##

### 原子性 ###

指一个操作是不可中断的，即使是多个线程一起执行的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程干扰

### 可见性 ###

指当一个线程修改了某一个共享变量的值，其他线程是否能够立即知道这个修改。显然，对于串行程序来说，可见性问题 是不存在。因为你在任何一个操作步骤中修改某个变量，那么在后续的步骤中，读取这个变量的值，一定是修改后的新值。但是这个问题在并行程序中就不见得了。如果一个线程修改了某一个全局变量，那么其他线程未必可以马上知道这个改动。

### 有序性 ###

对于一个线程的执行代码而言，我们总是习惯地认为代码的执行时从先往后，依次执行的。这样的理解也不能说完全错误，因为就一个线程而言，确实会这样。但是在并发时，程序的执行可能就会出现乱序。给人直观的感觉就是：写在前面的代码，会在后面执行。有序性问题的原因是因为程序在执行时，可能会进行指令重排，重排后的指令与原指令的顺序未必一致

## 主内存与工作内存 ##

处理器上的寄存器的读写的速度比内存快几个数量级，为了解决这种速度矛盾，在它们之间加入了高速缓存。

加入高速缓存带来了一个新的问题：缓存一致性。如果多个缓存共享同一块主内存区域，那么多个缓存的数据可能会不一致，需要一些协议来解决这个问题。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppbnhpbnhpbjEzMTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

所有的变量都 **存储在主内存中，每个线程还有自己的工作内存** ，工作内存存储在高速缓存或者寄存器中，保存了该线程使用的变量的主内存副本拷贝。

线程只能直接操作工作内存中的变量，不同线程之间的变量值传递需要通过主内存来完成。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppbnhpbnhpbjEzMTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

### 数据存储类型以及操作方式 ###

*  方法中的基本类型本地变量将直接存储在工作内存的栈帧结构中；
 *  引用类型的本地变量：引用存储在工作内存，实际存储在主内存；
 *  成员变量、静态变量、类信息均会被存储在主内存中；
 *  主内存共享的方式是线程各拷贝一份数据到工作内存中，操作完成后就刷新到主内存中。

## 内存间交互 ##

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回主内存子类的细节实现，java内存模型定义了八种操作：（这八个操作都具有原子性）

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。
    
    unclock（解锁）：作用于主内存的变量，把一个处于锁定的状态释放出来。
    
    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中
    
    load（载入）：作用于工作内存的变量，把read操作从主内存 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到变量的                             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，把一个从执行引擎接收到的值 赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变                             量赋值的字节码指令时执行这个操作。
    
    store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传递到主内存，以便write操作使用。
    
    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的值放入主内存的变量中。

如图:

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppbnhpbnhpbjEzMTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 指令重排序的条件 ##

*  在单线程环境下不能改变程序的运行结果；
 *  存在数据依赖关系的不允许重排序；
 *  无法通过Happens-before原则推到出来的，才能进行指令的重排序。

**happens-before 原则**

*  **程序次序规则**：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
 *  **锁定规则**：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作
 *  **volatile变量规则**：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
 *  线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
 *  线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
 *  线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
 *  对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

## jvm和jmm之间的关系 ##

jmm中的主内存、工作内存与jvm中的Java堆、栈、方法区等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，如果两者一定要勉强对应起来，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，主内存就直接对应于物理硬件的内存，而为了获取更好的运行速度，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，因为程序运行时主要访问读写的是工作内存。

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