概述
已知多核CPU对于代码指令的乱序执行存在跟我们预期结果不一致的问题,解决方法就是使用Java内存模型规范对多线程操作进行约束。
其中Java内存模型是为屏蔽掉不同操作系统,不同硬件设备的差异,使Java程序对于多线程的环境有相同的执行结果,而对Java虚拟机(JVM)与硬件设备交互协调的规范
JMM规定一个线程在何时、如何对内存中其他线程修改后的共享变量的可见性,及如何在必须时同步访问共享变量。
Java内存模型(JMM)
JMM与硬件结构如下图:
JMM内部抽象结构如下图:
堆区(Heap):是运行时数据区,并由GC(Garbage Collection)负责,可以在运行时动态分配内存大小,也不必通知编译器。缺点:由于运行时动态分配内存,故存取速度稍慢
静态成员变量跟随类的定义一起存放在堆中。堆中的对象可以被对该对象持有引用的线程访问,且其成员变量也可以被访问;当多个线程对同一对象的同一方法进行访问时,其实每个线程都有对该对象的数据的私有拷贝,而不会出现混乱。
栈区(Stack):主要存放8种基本类型的变量和句柄,JMM要求调用栈的本地变量存放在本地线程栈中,但对象是存放在堆中;优点:存取速度快(相对于Heap),仅次于寄存器,其中的数据可以共享;缺点:其中的数据与其生存期是确定的,缺乏灵活性。
本地变量(local variable)也可能是一个引用变量,指向一个变量的引用,此时引用变量是存放在线程栈(Thread Stack)中,但被引用变量仍然存放在堆Heap中。
同步的八种操纵
- lock(锁定):作用于主内存的变量,把一个标示为一条线程独占状态;
- unloc(解锁):作用于主内存的变量,把一个处于锁定状态的变量释放;
- read(读取):作用于主内存的变量,把一个变量从主内存传输到编程的工作内存,供随后的load操作使用;
- load(载入):作用于主内存的变量,它把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):作用于主内存的变量,把工作内存的一个变量值传递给执行引擎;
- assign(赋值):作用于主内存的变量,它把一个从执行引擎收到的值赋值给工作内存的变量;
- store(存储):作用于主内存的变量,将工作内存的一个变量的值传递给主内存中,供随后的write操作使用;
- write(写入):作用于主内存的变量,将store操作从内存中的一个变量值传送到主内存的变量中。
同步的规则
同步操作与规则如下图:
- 如果把一个变量从主内存中复制到工作内存,需要按顺序执行read和load操作;如果把变量从工作内存同步回主内存中,需要按顺序执行store和write操作。需要按照先后顺序,但不要求连续执行!
- 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。
- 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作,即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。
- 不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从工作内存同步到主内存中。
- 一个新的变量只能在主内存中诞生,不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load或assign)的变量。即对一个变量执行use或store操作之前,必须先执行assign或load操作。
- 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作,但lock操作可以被同一条线程重复执行多次;多次执行lock后,只有执行相同次数的unlock后,变量才会被解锁。即lock和unlock必须成对出现。
- 如果对一个变量执行lock操作,将会清空工作内存中此变量的值;在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
- 如果一个变量事先没有被lock操作锁定,则不允许对它执行unlock操作;也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
- 对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步到主内存中(执行store和write操作)。