JVM 基础 - JVM 内存模型
文章目录
- JVM 基础 - JVM 内存模型
- 前言
- 一、Java 内存模型（Java Memory Model）
- 1、Java堆栈
- 2、JMM概述
- 3、重排序问题
- 4、volatile关键字
- 防重排序
- 实现可见性
- 保证单次的读/写操作具有原子性
- 问题： i++为什么不能保证原子性?
- 5、先行发生规则（happens-before）
前言
很多人总是将Java内存模型和Java内存结构搞混，本文将详细讲解在Java中，什么是Java内存模型（Java Memory Model）。如果你需要了解Java内存结构的相关知识，请看另一篇文章： 《JVM 基础 - JVM 内存结构详解》。
一、Java 内存模型（Java Memory Model）
1、Java堆栈
JVM内部使用的Java内存模型在线程栈和堆之间划分内存。
2、JMM概述
Java 内存模型的主要目标是定义程序中各个共享变量的访问规则，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。
Java 内存模型中规定了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，线程的工作内存中保存了该线程使用到的主内存中的变量拷贝，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（通信）均需要在主内存中来完成。
Java 内存模型的抽象示意图如下：
3、重排序问题
在执行程序时为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分三种类型：
1、编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。
2、指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism， ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。
3、内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读 / 写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。
比如：A a = new A() 实际上是通过三个步骤完成，1：开辟一片内存空间，2：在内存空间初始化对象数据，3：将内存空间的地址赋值给对应的引用。由于重排序，可能实际执行的时候会变成：1：开辟一片内存空间，2：将内存空间的地址赋值给对应的引用，3：在内存空间初始化对象数据。如果是这个流程，多线程环境下就可能将一个未初始化的对象引用暴露出来，从而导致不可预料的结果。因此，为了防止这个过程的重排序，我们需要将变量设置为volatile类型的变量。
4、volatile关键字
防重排序
volatile的一个主要作用是防止重排序，也就是说，使用volatile关键字修饰的变量，在实际运行过程中，不会出现上述所说的重排，保证了程序的顺序执行。
实现可见性
volatile的另一个作用是实现变量的可见性，通俗的讲，就是一个线程修改了变量的值，另外的线程能够立马知道。
保证单次的读/写操作具有原子性
volatile不能保证完全的原子性，只能保证单次的读/写操作具有原子性。
问题： i++为什么不能保证原子性?
因为i++本质上是读、写两次操作，它是一个复合操作，包括三步骤：
1、读取i的值
2、对i加1
3、将i的值写回内存
运行如下代码：
public class VolatileTest {
volatile int i;
public void add(){
i++;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final VolatileTest test = new VolatileTest();
for (int n = 0; n < 1000; n++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
test.add();
}
}).start();
}
Thread.sleep(10000);//等待10秒，保证上面程序执行完成
System.out.println(test.i);
}
}期望结果：i=1000，实际上i的值可能小于1000，证明volatile是无法保证 i++ 这三个操作的原子性的，可以通过AtomicInteger或者Synchronized来保证+1操作的原子性。
5、先行发生规则（happens-before）
JMM 为了保证有序，还内置了一套先行发生规则（happens-before）。两个操作间具有 happens-before 关系，并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行。happens-before 仅仅要求前一个操作对后一个操作可见，和一般意义上时间的先后是不一样的，达到逻辑上的顺序执行即可。
具体的规则如下：
1 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与书写在后面的操作。【保证单线程的有序】
2 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。
3 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。【先写后读】
4 传递规则：A 先于 B 且 B 先于 C 则 A 先于 C
5 线程启动规则：Thread 对象的 start 方法先行发生于此线程的每一个动作。
6 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。【先中断，后检测】
7 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() 的返回值手段检测线程已经终止执行。
8 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于它的 finalize 方法的开始。
如果两个操作的执行顺序不能通过 happens-before 原则推导出来，就不能保证他们的执行次序，虚拟机就可以随意的对他们进行重排序。
