Java 內(nèi)存模型（JMM）描述了 JVM 如何使用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存（RAM）。JVM 是一個(gè)完整計(jì)算機(jī)的模型，因此該模型包含了內(nèi)存模型的設(shè)計(jì) —— JMM。

如果要正確地設(shè)計(jì)并發(fā)程序，了解 JMM 非常重要。JMM 描述了不同線程間如何以及何時(shí)可以看到其它線程寫(xiě)入共享變量的值，以及如何在必要時(shí)同步訪問(wèn)共享變量。

最初的 JMM 設(shè)計(jì)不充分，因此 JMM 在 Java 1.5 進(jìn)行了修訂。此版本的 JMM 仍在 Java 8 中使用。

Java Memory Model 內(nèi)部實(shí)現(xiàn)

JVM 內(nèi)部使用的 JMM 將內(nèi)存劃分為線程棧和堆。下圖從邏輯角度說(shuō)明了 JMM：

在 JVM 中運(yùn)行的每個(gè)線程都有它自己的線程棧，線程棧包含了線程調(diào)用了哪些方法以到達(dá)當(dāng)前執(zhí)行點(diǎn)的信息，我們把它成為“調(diào)用棧（Call Stack）“。當(dāng)線程執(zhí)行其代碼時(shí)，調(diào)用棧會(huì)發(fā)生變化。

線程棧還包含了正在執(zhí)行的每個(gè)方法的所有的局部變量（調(diào)用棧上的所有方法）。一個(gè)線程只能訪問(wèn)它自己的線程棧，由線程創(chuàng)建的局部變量對(duì)于創(chuàng)建它的線程以外的所有其他線程都是不可見(jiàn)的。即使兩個(gè)線程正在執(zhí)行完全相同的代碼，兩個(gè)線程仍將在各自的線程棧中創(chuàng)建自己的局部變量。因此，每個(gè)線程都有自己的每個(gè)局部變量的版本。

基本類型（boolean，byte，short，char，int，long，float，double）完全存儲(chǔ)在線程棧里，因此對(duì)其他線程是不可見(jiàn)的。一個(gè)線程可以將一個(gè)基本類型的變量副本傳遞給另一個(gè)線程，但它不能共享原始局部變量本身。

堆包含了 Java 應(yīng)用程序中創(chuàng)建的所有對(duì)象，不管對(duì)象是哪個(gè)線程創(chuàng)建的，這包括基本類型的包裝版本（如 Byte，Integer，Long 等）。無(wú)論對(duì)象是創(chuàng)建成局部變量，還是作為另一個(gè)對(duì)象的成員變量被創(chuàng)建，對(duì)象都存儲(chǔ)在堆中。

下圖說(shuō)明了調(diào)用棧和局部變量存儲(chǔ)在線程棧中，而對(duì)象存儲(chǔ)在堆中。

局部變量如果是基本類型，這種情況下，變量完全存儲(chǔ)在線程棧上。

局部變量如果是對(duì)象的引用，這種情況下，引用（局部變量）存儲(chǔ)在線程棧上，但對(duì)象本身存儲(chǔ)在堆上。

對(duì)象中可能包含方法，而這些方法中可能包含局部變量，這種情況下，即使方法所屬的對(duì)象存儲(chǔ)在堆上，但這些局部變量卻是存儲(chǔ)在線程棧上的。

對(duì)象的成員變量與對(duì)象本身一起存儲(chǔ)在堆上，當(dāng)成員變量是基本類型以及是對(duì)象的引用時(shí)都是如此。

靜態(tài)類型變量與類定義一起存儲(chǔ)在堆上。

所有線程通過(guò)擁有對(duì)象引用去訪問(wèn)堆中的對(duì)象。當(dāng)一個(gè)線程有權(quán)訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象時(shí)，它也能訪問(wèn)該對(duì)象的成員變量。如果兩個(gè)線程同一時(shí)間調(diào)用同一對(duì)象的一個(gè)方法，它們都可以訪問(wèn)該對(duì)象的成員變量，但每個(gè)線程都有自己局部變量的副本。

這是一個(gè)說(shuō)明上述要點(diǎn)的圖表：

兩個(gè)線程各有一組局部變量，其中一個(gè)局部變量（Local Variable 2）指向堆中的共享對(duì)象（Object 3）。兩個(gè)線程各自對(duì)同一各對(duì)象擁有不同的引用，它們的引用是局部變量，因此它們存儲(chǔ)在各自線程的線程棧中。但是，這兩個(gè)不同引用指向堆中的同一個(gè)對(duì)象。

請(qǐng)注意，共享對(duì)象（Object 3）將 Object 2 和 Object 4 作為成員變量引用（如從 Object 3 到 Object 2 和 Object 4 的箭頭所示），通過(guò)對(duì)象 3 中的這些成員變量引用，兩個(gè)線程可以訪問(wèn)對(duì)象 2 和 對(duì)象 4。

上圖還顯示了一個(gè)局部變量指向堆中的兩個(gè)不同對(duì)象。這種情況下，引用指向兩個(gè)不同的對(duì)象（Object 1 和 Object 5），而不是同一個(gè)對(duì)象。理論上，如果兩個(gè)線程都引用了兩個(gè)對(duì)象，那兩個(gè)線程都可以訪問(wèn)對(duì)象 1 和 對(duì)象 5。但在上圖中，每個(gè)線程只引用了兩個(gè)對(duì)象中的一個(gè)。Java學(xué)習(xí)圈子

那么，什么樣的 Java 代碼可以導(dǎo)致上面的內(nèi)存圖？好吧，代碼就如下面的代碼一樣簡(jiǎn)單：

如果兩個(gè)線程正在執(zhí)行 run() 方法，則前面的結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)。run() 方法會(huì)調(diào)用 methodOne()，而 methodOne() 會(huì)調(diào)用 methodTwo()。

方法 methodOne() 中聲明了一個(gè)基本類型的局部變量（localVariable1 類型 int）和一個(gè)對(duì)象引用的局部變量（localVariable2）。

每個(gè)執(zhí)行 methodOne() 的線程將在各自的線程棧上創(chuàng)建自己的 localVariable1 和 localVariable2 副本。localVariable 1 變量將完全分離，只存在于每個(gè)線程的線程棧中。一個(gè)線程無(wú)法看到另一個(gè)線程對(duì)其 localVariable 1 副本所做的更改。

執(zhí)行 methodOne() 的每個(gè)線程還將創(chuàng)建它們自己的 localVariable2 副本。然而，localVariable 2 的兩個(gè)不同副本最終都指向堆上的同一個(gè)對(duì)象。代碼將 localVariable 2 設(shè)置為指向靜態(tài)變量引用的對(duì)象。靜態(tài)變量只有一個(gè)副本，這個(gè)副本存儲(chǔ)在堆上。因此，localVariable 2 的兩個(gè)副本最終都指向靜態(tài)變量所指向的 MySharedObject 的同一個(gè)實(shí)例。MySharedObject 實(shí)例也存儲(chǔ)在堆中，它對(duì)應(yīng)于上圖中的對(duì)象 3。Java學(xué)習(xí)圈子???????

注意 MySharedObject 類也包含兩個(gè)成員變量。成員變量本身同對(duì)象一起存儲(chǔ)在堆中。這兩個(gè)成員變量指向另外兩個(gè) Integer 對(duì)象，這些 Integer 對(duì)象對(duì)應(yīng)于上圖中的對(duì)象 2和對(duì)象 4。

還要注意 methodTwo() 創(chuàng)建的一個(gè)名為 localVariable 1 的本地變量。這個(gè)局部變量是一個(gè)指向 Integer 對(duì)象的對(duì)象引用。該方法將 localVariable 1 引用設(shè)置為指向一個(gè)新的 Integer 實(shí)例。localVariable 1 引用將存儲(chǔ)在每個(gè)執(zhí)行 methodTwo() 的線程的一個(gè)副本中。實(shí)例化的兩個(gè) Integer 對(duì)象存儲(chǔ)在堆上，但是由于方法每次執(zhí)行都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的 Integer 對(duì)象，因此執(zhí)行該方法的兩個(gè)線程將創(chuàng)建單獨(dú)的 Integer 實(shí)例。methodTwo() 中創(chuàng)建的 Integer 對(duì)象對(duì)應(yīng)于上圖中的對(duì)象 1和對(duì)象 5。還要注意類 MySharedObject 中的兩個(gè)成員變量，它們的類型是 long，這是一個(gè)基本類型。由于這些變量是成員變量，所以它們?nèi)匀慌c對(duì)象一起存儲(chǔ)在堆中。只有本地變量存儲(chǔ)在線程堆棧中。

硬件內(nèi)存架構(gòu)

現(xiàn)代硬件內(nèi)存架構(gòu)與 Java 內(nèi)存模型略有不同。了解硬件內(nèi)存架構(gòu)也很重要，以了解 Java 內(nèi)存模型如何與其一起工作。本節(jié)介紹了常見(jiàn)的硬件內(nèi)存架構(gòu)，后面的部分將介紹 Java 內(nèi)存模型如何與其配合使用。

這是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)的簡(jiǎn)化圖：

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通常有兩個(gè)或更多的 CPU，其中一些 CPU 也可能有多個(gè)內(nèi)核。關(guān)鍵是，在具有2個(gè)或更多 CPU 的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)上，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程。每個(gè) CPU 都能夠在任何給定時(shí)間運(yùn)行一個(gè)線程。這意味著如果您的 Java 應(yīng)用程序是多線程的，那么每個(gè) CPU 可能同時(shí)（并發(fā)地）運(yùn)行 Java 應(yīng)用程序中的一個(gè)線程。

每個(gè) CPU 包含一組寄存器，這些寄存器本質(zhì)上是在 CPU 內(nèi)存中。CPU 在這些寄存器上執(zhí)行操作的速度要比在主內(nèi)存中執(zhí)行變量的速度快得多。這是因?yàn)?CPU 訪問(wèn)這些寄存器的速度要比訪問(wèn)主內(nèi)存快得多。

每個(gè) CPU 還可以有一個(gè) CPU 緩存內(nèi)存層。事實(shí)上，大多數(shù)現(xiàn)代 CPU 都有某種大小的緩存內(nèi)存層。CPU 訪問(wèn)緩存內(nèi)存的速度比主內(nèi)存快得多，但通常沒(méi)有訪問(wèn)內(nèi)部寄存器的速度快。因此，CPU 高速緩存存儲(chǔ)器介于內(nèi)部寄存器和主存儲(chǔ)器的速度之間。某些 CPU 可能有多個(gè)緩存層（L1 和 L2），但要了解 Java 內(nèi)存模型如何與內(nèi)存交互，這一點(diǎn)并不重要。重要的是要知道 CPU 可以有某種緩存存儲(chǔ)層。

計(jì)算機(jī)還包含一個(gè)主內(nèi)存區(qū)域（RAM）。所有 CPU 都可以訪問(wèn)主存，主內(nèi)存區(qū)域通常比 CPU 的緩存內(nèi)存大得多。

通常，當(dāng) CPU 需要訪問(wèn)主內(nèi)存時(shí)，它會(huì)將部分主內(nèi)存讀入 CPU 緩存。它甚至可以將緩存的一部分讀入內(nèi)部寄存器，然后對(duì)其執(zhí)行操作。當(dāng) CPU 需要將結(jié)果寫(xiě)回主內(nèi)存時(shí)，它會(huì)將值從內(nèi)部寄存器刷新到緩存內(nèi)存，并在某個(gè)時(shí)候?qū)⒅邓⑿禄刂鲀?nèi)存。

當(dāng)CPU需要在高速緩存中存儲(chǔ)其他內(nèi)容時(shí)，通常會(huì)將存儲(chǔ)在高速緩存中的值刷新回主內(nèi)存。CPU 緩存可以一次將數(shù)據(jù)寫(xiě)入一部分內(nèi)存，并一次刷新一部分內(nèi)存。它不必每次更新時(shí)都讀取/寫(xiě)入完整的緩存。通常，緩存是在稱為“緩存線（Cache Line）”的較小內(nèi)存塊中更新的。可以將一條或多條高速緩存線讀入高速緩存內(nèi)存，并將一條或多條高速緩存線再次刷新回主內(nèi)存。

JMM 和硬件內(nèi)存結(jié)構(gòu)之間的差別

如前所述，JMM 和硬件內(nèi)存結(jié)構(gòu)是不同的。硬件內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)不區(qū)分線程棧和堆。在硬件上，線程棧和堆都位于主內(nèi)存中。線程棧和堆的一部分有時(shí)可能存在于 CPU 高速緩存和內(nèi)部 CPU 寄存器中。如下圖所示:

當(dāng)對(duì)象和變量可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的不同內(nèi)存區(qū)域時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)某些問(wèn)題。主要有兩個(gè)問(wèn)題：

• 線程更新（寫(xiě)入）對(duì)共享變量的可見(jiàn)性
• 讀取、檢查和寫(xiě)入共享變量時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)條件

這兩個(gè)問(wèn)題將在下面幾節(jié)中進(jìn)行解釋。Java學(xué)習(xí)圈子???????

共享對(duì)象的可見(jiàn)性

如果兩個(gè)或多個(gè)線程共享一個(gè)對(duì)象，而沒(méi)有正確使用 volatile 聲明或同步，那么一個(gè)線程對(duì)共享對(duì)象的更新可能對(duì)其他線程不可見(jiàn)。

假設(shè)共享對(duì)象最初存儲(chǔ)在主內(nèi)存中。在 CPU 1 上運(yùn)行的線程然后將共享對(duì)象讀入它的 CPU 緩存。在這里，它對(duì)共享對(duì)象進(jìn)行更改。只要沒(méi)有將 CPU 緩存刷新回主內(nèi)存，在其他 CPU 上運(yùn)行的線程就不會(huì)看到共享對(duì)象的更改版本。這樣，每個(gè)線程都可能最終擁有自己的共享對(duì)象副本，每個(gè)副本位于不同的 CPU緩 存中。

下圖說(shuō)明了大致的情況。在左 CPU 上運(yùn)行的一個(gè)線程將共享對(duì)象復(fù)制到其 CPU 緩存中，并將其 count 變量更改為2。此更改對(duì)運(yùn)行在正確 CPU 上的其他線程不可見(jiàn)，因?yàn)樯形磳⒏滤⑿禄刂鲀?nèi)存。

要解決這個(gè)問(wèn)題，可以使用 Java 的 volatile 關(guān)鍵字。volatile 關(guān)鍵字可以確保直接從主內(nèi)存讀取給定的變量，并在更新時(shí)始終將其寫(xiě)回主內(nèi)存。

競(jìng)態(tài)條件

如果兩個(gè)或多個(gè)線程共享一個(gè)對(duì)象，且多個(gè)線程更新該共享對(duì)象中的變量，則可能出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件。

假設(shè)線程 A 將共享對(duì)象的變量計(jì)數(shù)讀入其 CPU 緩存。再想象一下，線程 B 執(zhí)行相同的操作，但是進(jìn)入了不同的 CPU 緩存?，F(xiàn)在線程 A 向 count 加一，線程 B 也這樣做?，F(xiàn)在 var1 已經(jīng)增加了兩次，每次在每個(gè) CPU 緩存中增加一次。

如果按順序執(zhí)行這些增量，變量計(jì)數(shù)將增加兩次，并將原始值 + 2 寫(xiě)回主內(nèi)存。

但是，這兩個(gè)增量是同時(shí)執(zhí)行的，沒(méi)有適當(dāng)?shù)耐?。無(wú)論哪個(gè)線程 A 和線程 B 將其更新版本的 count 寫(xiě)回主內(nèi)存，更新后的值只比原始值高1，盡管有兩個(gè)增量。

該圖說(shuō)明了上述競(jìng)態(tài)條件問(wèn)題的發(fā)生情況：

要解決這個(gè)問(wèn)題，可以使用 Java synchronized 塊。同步塊保證在任何給定時(shí)間只有一個(gè)線程可以進(jìn)入代碼的給定臨界段。Synchronized 塊還保證在 Synchronized 塊中訪問(wèn)的所有變量都將從主內(nèi)存中讀入，當(dāng)線程退出 Synchronized 塊時(shí)，所有更新的變量將再次刷新回主內(nèi)存，而不管變量是否聲明為 volatile。

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