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<p>Java内存模型规定了Java虚拟机如何跟计算机的内存协同工作。因为Java虚拟机模拟了计算机，所以自然Java虚拟机包括内存模型。</p>
<p>正确理解Java内存模型对于编写正确的并发程序非常重要。Java内存模型规定了线程何时以及怎么读取其他线程写的值，还有就是在获取共享变量时如何进行同步操作。</p>
<p>最初的Java内存模型是有缺陷的，因此在Java5中进行了修改，并且这个版本的Java内存模型一直到Java8都在使用。</p>
<h1 id="Java内存模型"><a href="#Java内存模型" class="headerlink" title="Java内存模型"></a>Java内存模型</h1><p>JVM中的内存模型将内存分为线程栈内存和堆内存。下面的图从逻辑上展示了Java内存模型:<br><img src="/Java-Memory-Model/java-memory-model-1.png" class="" title="java-memory-model"></p>
<p>每个在JVM中运行的线程都有它自己栈空间。线程的栈空间中包含了线程调用方法执行到那一刻的数据。随着线程执行它的代码，调用栈也随之改变。</p>
<p>线程的栈空间同样也包含每个执行的方法的局部变量。线程只能获取它自己的栈空间，其中包含的局部变量对于其他线程是不可见的。即使两个线程执行相同的代码，这两个线程也是在各自的线程栈空间中创建各自的局部变量。</p>
<p>所有的原型类型(boolean,byte,short,char,int,long,float,double)的局部变量都是存储在线程的栈空间中。一个线程可能传递一个原型变量的副本给另一个线程，但是另一个线程并不能共享这个原型变量。</p>
<p>不管哪个线程创建了对象，这些对象都是存储在堆空间中。这也包括原型类型的包装器类型(e.g. Byte, Integer)。不管对象是被分配给局部变量还是作为另一个对象的成员变量，这个对象都是存储在堆空间中。</p>
<p>下面的图中说明了调用栈和局部变量存储在线程的栈空间中，而对象存储在堆空间中:</p>
<img src="/Java-Memory-Model/java-memory-model-2.png" class="" title="java-memory-model">
<p>如果局部变量是原型类型，那么这个变量在线程的栈空间中。</p>
<p>如果局部变量是一个指向对象的引用类型，那么这个引用是在线程的栈空间，但是对象本身是在堆空间中。</p>
<p>如果一个对象包含方法，同时这些方法包含局部变量。那么这些局部变量(原型类型或者引用)是保存在线程栈空间中，即使这些方法所在的对象是存储在堆空间中。</p>
<p>一个对象的成员变量是跟对象一起存储在堆内存中，不管这个成员变量是原型还是指向一个对象的引用。</p>
<p>类的静态变量也是跟类的定义一起存在堆内存中。</p>
<p>堆空间中对象能够被所有拥有指向此对象的引用的线程访问到。当一个线程能够访问一个对象时，那么这个线程也能够访问此对象的成员变量(这里要看这个对象的封装性)。如果两个线程同时调用了同一个对象的一个方法，那么这两个线程将能够访问这个对象的成员变量，但是每个线程都会获得局部变量的一份拷贝。</p>
<p>下面的图说明了上面描述的内容：</p>
<img src="/Java-Memory-Model/java-memory-model-3.png" class="" title="java-memory-model">
<p>在上图中，两个线程有一系列的局部变量。其中一个局部变量(Local Variable 2)指向了堆内存上的共享对象(Object3)。这两个线程分别拥有一个指向同一个对像的引用，这两个引用是不同的。这些引用是局部变量，所以存储在各自线程的栈空间中。而这两个不同的引用指向了堆上的同一个对象。</p>
<p>注意到共享对象(Object3)有两个引用指向了Object2和Object4,如图中箭头所示。通过Object3中的成员变量引用，这两个线程能够获取Object2和Object4。</p>
<blockquote>
<p>The diagram also shows a local variable which point to two different objects on the heap. In this case the references point to two different objects (Object 1 and Object 5), not the same object. In theory both threads could access both Object 1 and Object 5, if both threads had references to both objects. But in the diagram above each thread only has a reference to one of the two objects.</p>
</blockquote>
<p>上图中同样了展示了一个局部变量指向堆上两个不同的对象。指向不同对象(Object1, Object5)的引用不是同一个对象。理论上，如果这两个线程有指向这两个对象的引用，那么这两个线程都能够访问Object1和Object5。但是在上图中每个线程只有指向其中一个对象的引用。</p>
<p>那么，在Java代码中如何反应上面的内存图呢？代码很简单，如下所示：</p>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br><span class="line">11</span><br><span class="line">12</span><br><span class="line">13</span><br><span class="line">14</span><br><span class="line">15</span><br><span class="line">16</span><br><span class="line">17</span><br><span class="line">18</span><br><span class="line">19</span><br><span class="line">20</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="keyword">public</span> <span class="keyword">class</span> <span class="title class_">MyRunnable</span> <span class="keyword">implements</span> <span class="title class_">Runnable</span>() {</span><br><span class="line"> <span class="keyword">public</span> <span class="keyword">void</span> <span class="title function_">run</span><span class="params">()</span> {</span><br><span class="line"> methodOne();</span><br><span class="line"> }</span><br><span class="line"> <span class="keyword">public</span> <span class="keyword">void</span> <span class="title function_">methodOne</span><span class="params">()</span> {</span><br><span class="line"> <span class="type">int</span> <span class="variable">localVariable1</span> <span class="operator">=</span> <span class="number">45</span>;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line"> <span class="type">MySharedObject</span> <span class="variable">localVariable2</span> <span class="operator">=</span></span><br><span class="line"> MySharedObject.sharedInstance;</span><br><span class="line"></span><br><span class="line"> <span class="comment">//... do more with local variables.</span></span><br><span class="line"></span><br><span class="line"> methodTwo();</span><br><span class="line"> }</span><br><span class="line"> <span class="keyword">public</span> <span class="keyword">void</span> <span class="title function_">methodTwo</span><span class="params">()</span> {</span><br><span class="line"> <span class="type">Integer</span> <span class="variable">localVariable1</span> <span class="operator">=</span> <span class="keyword">new</span> <span class="title class_">Integer</span>(<span class="number">99</span>);</span><br><span class="line"></span><br><span class="line"> <span class="comment">//... do more with local variable.</span></span><br><span class="line"> }</span><br><span class="line">}</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<figure class="highlight java"><table><tr><td class="gutter"><pre><span class="line">1</span><br><span class="line">2</span><br><span class="line">3</span><br><span class="line">4</span><br><span class="line">5</span><br><span class="line">6</span><br><span class="line">7</span><br><span class="line">8</span><br><span class="line">9</span><br><span class="line">10</span><br><span class="line">11</span><br><span class="line">12</span><br><span class="line">13</span><br><span class="line">14</span><br><span class="line">15</span><br><span class="line">16</span><br></pre></td><td class="code"><pre><span class="line"><span class="keyword">public</span> <span class="keyword">class</span> <span class="title class_">MySharedObject</span> {</span><br><span class="line"></span><br><span class="line"> <span class="comment">//static variable pointing to instance of MySharedObject</span></span><br><span class="line"></span><br><span class="line"> <span class="keyword">public</span> <span class="keyword">static</span> <span class="keyword">final</span> <span class="type">MySharedObject</span> <span class="variable">sharedInstance</span> <span class="operator">=</span></span><br><span class="line"> <span class="keyword">new</span> <span class="title class_">MySharedObject</span>();</span><br><span class="line"></span><br><span class="line"></span><br><span class="line"> <span class="comment">//member variables pointing to two objects on the heap</span></span><br><span class="line"></span><br><span class="line"> <span class="keyword">public</span> <span class="type">Integer</span> <span class="variable">object2</span> <span class="operator">=</span> <span class="keyword">new</span> <span class="title class_">Integer</span>(<span class="number">22</span>);</span><br><span class="line"> <span class="keyword">public</span> <span class="type">Integer</span> <span class="variable">object4</span> <span class="operator">=</span> <span class="keyword">new</span> <span class="title class_">Integer</span>(<span class="number">44</span>);</span><br><span class="line"></span><br><span class="line"> <span class="keyword">public</span> <span class="type">long</span> <span class="variable">member1</span> <span class="operator">=</span> <span class="number">12345</span>;</span><br><span class="line"> <span class="keyword">public</span> <span class="type">long</span> <span class="variable">member1</span> <span class="operator">=</span> <span class="number">67890</span>;</span><br><span class="line">}</span><br></pre></td></tr></table></figure>
<p>如果两个线程执行run()方法,那么此代码就表明了上图所示的内存分布。run方法首先调用methodOne方法，然后methodOne方法调用methodTwo方法。</p>
<p>在methodOne方法中定义了一个原型的局部变量localVariable1,同时定义了一个指向对象的引用localVariable2.</p>
<p>每个执行methodOne方法的线程都会在各自的线程栈空间中创建localVariable1和localVariable2的副本。localVariable1在两个线程中是完全独立的，仅仅存在于对应线程的栈空间中。一个线程不能看到其他线程对于localVariable1变量的修改。</p>
<p>执行methodOne方法的线程同样会创建localVariable2的副本。但是，这两个localVariable2的副本是指向在堆上的同一个对象。而localVariable2引用指向的对象是一个类的静态成员变量。而类的静态变量在堆中只存在一份。所以两个localVariable2指向同一个MySharedObject对象的实例，MySharedObject实例存储在堆内存上，对应图中的Object3对象。</p>
<p>我们在来看看methodTwo方法是如何创建localVariable1局部变量的。这个局部变量是指向一个Integer对象的引用。methodTwo方法每次都重新创建一个Integer实例。局部变量localVariable2引用是存储在对应的栈空间中，而对应的Integer对象是在堆内存中，因为每次执行methodTwo方法都会创建Integer对象，所以在堆内存中会有两个Integer对象。即对应于图中的Object1和Object5对象。</p>
<p>在MySharedObject中有两个long类型的局部变量，因为这些变量是类的成员变量，所以它们跟具体的对象一起保存在堆内存中。仅仅局部变量是保存在栈内存中的。</p>
<h1 id="硬件内存架构"><a href="#硬件内存架构" class="headerlink" title="硬件内存架构"></a>硬件内存架构</h1><p>硬件内存跟Java内存模型是有些不一样的。为了更好地理解Java内存模型，我们需要了解硬件内存架构。下面的图简单描述了现代计算机的硬件架构：</p>
<img src="/Java-Memory-Model/java-memory-model-4.png" class="" title="java-memory-model">
<p>现代的计算机通常会有两个以上的CPU，同时这些CPU可能有多个核。这也意味着我们可以将多个线程同时运行在多个CPU上。在给定的时间点，每个CPU都能运行一个线程。即如果你的Java程序是多线程的，那么能够在多个CPU上同时运行(并行)。</p>
<p>在上图中我们可以看到每个CPU内部都有一系列的寄存器。CPU在寄存器上执行的操作要比在主存中的操作快。这是因为CPU能够更快的获取寄存器上的内容。</p>
<p>每个CPU都有一个对应的缓存内存。获取缓存中的内容要快于获取主存中的内容，但是没有获取寄存器中的内容快。CPU缓存的速度要介于寄存器和主存之间。有些CPU可能会有多级的缓存。</p>
<p>一个计算机包含一个主存(RAM),所有的CPU都能够获取主存中的内容。主存的容量要远远大于缓存的容量。</p>
<p>如果一个CPU要读取主存的内容，通常只会读取主存中部分区域的内容到CPU缓存中，然后在从缓存读取到寄存器中，之后进行计算。当CPU需要写结果到主存中，它会将寄存机中的值刷新到缓存中，然后在之后的某个时间点，在将缓存中的内容刷新到主存中。</p>
<p>当CPU需要存储缓存中的值时，会将缓存中的值刷新到主存中。同时CPU缓存也可以局部的刷新缓存值以及写出缓存值。</p>
<h1 id="Java内存模型和硬件内存架构之间的桥接"><a href="#Java内存模型和硬件内存架构之间的桥接" class="headerlink" title="Java内存模型和硬件内存架构之间的桥接"></a>Java内存模型和硬件内存架构之间的桥接</h1><p>像前面说明的，Java内存模型和硬件内存架构是不同的。硬件内存架构不会区分线程栈和堆空间。在硬件中，线程栈和堆空间都是在主存中的。同时，部分线程栈和堆内存会出现在CPU缓存或者CPU寄存器中。下面的图进行了说明：</p>
<img src="/Java-Memory-Model/java-memory-model-5.png" class="" title="java-memory-model">
<p>当对象和变量存储在不同的内存区域时，会出现一些问题。主要的两个问题如下：</p>
<ol>
<li>共享变量的可见性(可见性，即一个线程能够及时的看到另一个线程对于共享变量的修改)</li>
<li>竞态条件(即读取，检查，写入共享变量)</li>
</ol>
<p>下面会依次介绍这两个问题。</p>
<h2 id="共享变量的可见性"><a href="#共享变量的可见性" class="headerlink" title="共享变量的可见性"></a>共享变量的可见性</h2><p>如果两个线程共享一个对象，但是没有采用合适的volatile关键字或者同步操作，那么当一个线程更新共享对象时，可能另一个线程并不能看到更新后的值。</p>
<p>想象一下，一个共享对象最初是在主存中，一个CPU上的线程读取了此对象到CPU缓存中，之后对于这个共享对象进行了修改。只要CPU缓存没有刷新到主存中，那么运行在其他CPU上的线程是不能读取到修改后的共享变量的值的。这会造成其他CPU只能看到修改之间的值。</p>
<p>下面的图说明了这种情况。在左边的CPU上运行的线程将共享对象读取到CPU缓存中，然后将它的count变量修改为2.由于没有将count的修改刷新到主存中，所以在右侧CPU上运行的线程不能看到这个修改。</p>
<img src="/Java-Memory-Model/java-memory-model-6.png" class="" title="java-memory-model">
<p>为了解决这个问题，我们可以使用Java中的<a href="http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/volatile.html">volatile</a>关键字.volatile关键字的作用是保证每次都是从主存中读取变量的值，同时如果修改了此变量，那么此变量会立刻写回到主存中。</p>
<h2 id="竞态条件"><a href="#竞态条件" class="headerlink" title="竞态条件"></a>竞态条件</h2><p>如果两个线程或多个线程共享一个对象，那么当多余一个线程修改此变量时，竞态条件就可能会出现。</p>
<p>想象一下，线程A将一个共享对象的count变量读取进CPU缓存，线程B也将count读取到另一个CPU缓存。现在线程A在count加上1，同时线程B也在count上加上1.现在变量被增加了两次，在每个CPU缓存中各一次。</p>
<p>如果加1操作是顺序进行的，那么count的值会加上2，然后写回到主存中。</p>
<p>但是，这两个操作是在没有正确同步的情况下同时进行的。尽管线程A或者B会将count修改后的值写回到主存，但是更新后的值始终比原来的值大1.</p>
<p>下面的图说明了上面描述的竞态条件：</p>
<img src="/Java-Memory-Model/java-memory-model-7.png" class="" title="java-memory-model">
<p>为了解决这个问题，可以使用Java的同步块，即<a href="http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/synchronized.html">synchronized</a>关键字。同步块保证了在同步块中获取到的变量都是从主存中读取的，并且当线程离开同步块时，所有修改的变量会被刷新到主存中，而不管这个变量是否被volatile声明。</p>
</div>
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<a href="/tags/%E5%B9%B6%E5%8F%91/" rel="tag"># 并发</a>
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