深入學(xué)習(xí)Java內(nèi)存模型（Java面試問題）

你好我是辰兮，很高興與你分享近期學(xué)習(xí)總結(jié)，上一篇整理完Java虛擬機(jī)內(nèi)存結(jié)構(gòu)，為了對比學(xué)習(xí)，本篇是對Java內(nèi)存模型的介紹，整理完收獲頗多，分享出來，希望對你們理解學(xué)習(xí)有幫助。

Java內(nèi)存結(jié)構(gòu)參考：Java虛擬機(jī)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

文章目錄

一、簡述Java內(nèi)存模型

二、CPU和緩存一致性

三、Java內(nèi)存模型的實(shí)現(xiàn)

一、簡述Java內(nèi)存模型

Java內(nèi)存模型(Java Memory Model，JMM)是java虛擬機(jī)規(guī)范定義的，用來屏蔽掉java程序在各種不同的硬件和操作系統(tǒng)對內(nèi)存的訪問的差異，這樣就可以實(shí)現(xiàn)java程序在各種不同的平臺上都能達(dá)到內(nèi)存訪問的一致性。

可以避免像c++等直接使用物理硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存模型在不同操作系統(tǒng)和硬件平臺下表現(xiàn)不同，比如有些c/c++程序可能在windows平臺運(yùn)行正常，而在linux平臺卻運(yùn)行有問題。

ps:

JVM中的堆啊、棧啊、方法區(qū)什么的，是Java虛擬機(jī)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)。內(nèi)存模型概念如上，千千萬萬不要再搞混淆了。

二、CPU和緩存一致性

計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的時候，每條指令都是在CPU中執(zhí)行的，而執(zhí)行的時候，又免不了要和數(shù)據(jù)打交道。而計(jì)算機(jī)上面的數(shù)據(jù)，是存放在主存當(dāng)中的，也就是計(jì)算機(jī)的物理內(nèi)存。

隨著CPU技術(shù)的發(fā)展，

CPU的執(zhí)行速度越來越快

。而由于

內(nèi)存的技術(shù)并沒有太大的變化

，所以從內(nèi)存中讀取和寫入數(shù)據(jù)的過程和CPU的執(zhí)行速度比起來差距就會越來越大,這就導(dǎo)致CPU每次操作內(nèi)存都要耗費(fèi)很多等待時間。

不能因?yàn)閮?nèi)存的讀寫速度慢，就不發(fā)展CPU（中央處理器）技術(shù)了吧。

人們想到了用緩存來解決這個問題

，就是在CPU和內(nèi)存之間增加高速緩存。緩存的概念大家都知道，就是保存一份數(shù)據(jù)拷貝。他的特點(diǎn)是速度快，內(nèi)存小，并且昂貴。

當(dāng)程序在運(yùn)行過程中，會將運(yùn)算需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到CPU的高速緩存當(dāng)中，那么CPU進(jìn)行計(jì)算時就可以直接從它的高速緩存讀取數(shù)據(jù)和向其中寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)運(yùn)算結(jié)束之后，再將高速緩存中的數(shù)據(jù)刷新到主存當(dāng)中。

Java內(nèi)存模型的引入

Java內(nèi)存模型規(guī)定了①所有的變量都存儲在主內(nèi)存中，②每條線程還有自己的工作內(nèi)存，③線程的工作內(nèi)存中保存了該線程中是用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存。

不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量的傳遞均需要自己的工作內(nèi)存和主存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)同步進(jìn)行。

JMM就作用于工作內(nèi)存和主存之間數(shù)據(jù)同步過程。

他規(guī)定了如何做數(shù)據(jù)同步以及什么時候做數(shù)據(jù)同步。

注意：

主內(nèi)存和工作內(nèi)存與JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)中的Java堆、棧、方法區(qū)等并不是同一個層次的內(nèi)存劃分，無法直接類比。

小結(jié)：

JMM是一種規(guī)范，目的是解決由于多線程通過共享內(nèi)存進(jìn)行通信時，存在的本地內(nèi)存數(shù)據(jù)不一致、編譯器會對代碼指令重排序、處理器會對代碼亂序執(zhí)行等帶來的問題。

目的是保證并發(fā)編程場景中的原子性、可見性和有序性。

三、Java內(nèi)存模型的實(shí)現(xiàn)

了解Java多線程的朋友都知道，在Java中提供了一系列和并發(fā)處理相關(guān)的關(guān)鍵字，比如volatile、synchronized、final、concurren包等。其實(shí)這些就是Java內(nèi)存模型封裝了底層的實(shí)現(xiàn)后提供給程序員使用的一些關(guān)鍵字。

在開發(fā)多線程的代碼的時候，我們可以直接使用synchronized等關(guān)鍵字來控制并發(fā)，從來就不需要關(guān)心底層的編譯器優(yōu)化、緩存一致性等問題。所以，

Java內(nèi)存模型，除了定義了一套規(guī)范，還提供了一系列原語，封裝了底層實(shí)現(xiàn)后，供開發(fā)者直接使用。

重點(diǎn)要介紹的就是，我們前面提到，并發(fā)編程要解決原子性、有序性和一致性的問題，我們就再來看下，在Java中，分別使用什么方式來保證。

1、原子性

在Java中，為了保證原子性，提供了兩個高級的字節(jié)碼指令monitorenter和monitorexit。在synchronized的實(shí)現(xiàn)原理文章中，介紹過，這兩個字節(jié)碼，在Java中對應(yīng)的關(guān)鍵字就是synchronized。

因此，

在Java中可以使用synchronized來保證方法和代碼塊內(nèi)的操作是原子性的。

2、可見性

Java內(nèi)存模型是通過在變量修改后將新值同步回主內(nèi)存，在變量讀取前從主內(nèi)存刷新變量值的這種依賴主內(nèi)存作為傳遞媒介的方式來實(shí)現(xiàn)的。

Java中的volatile關(guān)鍵字提供了一個功能，

那就是被其修飾的變量在被修改后可以立即同步到主內(nèi)存，被其修飾的變量在每次是用之前都從主內(nèi)存刷新

。因此，可以使用volatile來保證多線程操作時變量的可見性。

除了volatile，Java中的synchronized和final兩個關(guān)鍵字也可以實(shí)現(xiàn)可見性。只不過實(shí)現(xiàn)方式不同，這里不再展開了。

3、有序性

在Java中，可以使用

synchronized和volatile

來保證多線程之間操作的有序性。

實(shí)現(xiàn)方式有所區(qū)別：volatile關(guān)鍵字會禁止指令重排。synchronized關(guān)鍵字保證同一時刻只允許一條線程操作。

簡單的介紹完了Java并發(fā)編程中解決原子性、可見性以及有序性可以使用的關(guān)鍵字。大家發(fā)現(xiàn)好像synchronized關(guān)鍵字是萬能的，他可以同時滿足以上三種特性，這其實(shí)也是很多人濫用synchronized的原因。

但是synchronized是比較影響性能的，雖然編譯器提供了很多鎖優(yōu)化技術(shù)，但是也不建議過度使用。

大家可以參考《深入理解Java虛擬機(jī)》

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2020.05.21 記錄辰兮的第68篇博客

Java 任務(wù)調(diào)度

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