Java多线程高并发基础篇(五)-Java内存模型(JMM)

在虚拟机的规范中，定义了Java的内存模型（JMM），来屏蔽各种硬件和操作系统内存访问的差异。在JDK1.5（实现了JSR-133）发布后，Java内存模型就逐渐的完善起来了。

 

一. 并发编程要解决的关键问题

我们知道，JMM是围绕着并发过程中如何处理原子性，可见性，有序性这3个特征建立的。

1.原子性：有关原子性的内容请参考http://zhaodengfeng1989.iteye.com/blog/2418779

2.可见性：也就是线程之间以何种机制进行信息交互（也叫线程通信）。在命令式编程中，线程之间的通信的方式有两种：共享内存，消息传递。

①共享内存：在共享内存的并发模型中，线程之间共享内存的共享变量，通过线程之间写-读内存中的共享变量，进行线程之间的隐式通信。

②消息传递：在消息传递的并发模型里，线程之间没有公共状态，通过显式发送消息的方式进行显式通信。

3.有序性：也叫线程的同步，是指程序中用于控制线程间操作发生相对顺序的机制。

①在共享内存的并发模型中，需要显式的指定程序中某段代码需要互斥执行，因此线程之间的同步是显式进行的。

②在消息传递的并发模型中，由于消息发送和接收的相对顺序，线程之间的同步是隐式进行的。

 

Java的并发模型采用的是共享内存的方式，Java线程之间通过共享内存进行隐式通信，对外部完全透明，也就是我们今天看到Java内存模型。

 

二.Java内存模型的结构(也叫抽象结构)

1.线程之间如何通信

在虚拟机的体系结构中，我们知道堆内存和方法区是所有线程共享的。因此我们所说的共享内存模型，也建立在这两块区域上。因此，共享变量就是在共享内存中定义的变量，包括对象实例，静态域，数组元素。

我们来看一下JMM的抽象结构图：

 从抽象出来的JMM结构看，JMM定义了线程与主内存（共享内存）之间的关系，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），在本地内存中存放着共享变量的副本。当然，线程的本地内存是JMM中抽象出来的一个概念，它涵盖了处理器的缓存，读写缓冲区，寄存器，一部分硬件以及编译器优化。

 

根据JMM的抽象结构，我们说下在共享内存的并发模型下，线程之间是如何通信的。

根据上图，我们可以知道，线程A，B之间要通信，必须要进行两步。

一是线程A把本地内存中更新过的共享变量副本刷新到主内存中；

二是线程B从主内存中读取线程A更新过的共享变量。

 

我们举一例详细说明。假设现在有两个线程，线程A，B，并且线程A，B的本地内存中都缓存了共享变量x,且x是初始状态值为0.

当线程A更新了共享变量x=1后，根据JMM的抽象结构，我们知道线程A，B之间要通信，那么需要做的第一步就是把更新后的x写入到主内存中，那么此时主内存的x=1。然后第二步线程B读取主内存中更新后的变量x=1，缓存在线程B的本地缓存中，那么此时，线程B中的共享变量x也是1（这里面涉及的机制参见帖子http://zhaodengfeng1989.iteye.com/blog/2418346）。过程见下图。

 

 从以上可以看出，JMM通过控制主内存（共享内存）和线程本地内存的交互来进行线程之间的通信。

 

2.线程执行如何进行有序性操作？

从Java源代码到最后在处理器上实际执行的指令序列，会经历3种重排序。

①编译器优化重排序：在不改变单线程串行语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

②指令级并行重排序：现代处理器采用了指令级并行技术（ILP，Instruction-Level-Parallelism）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，从而形成指令流水线。

③内存系统的重排序：由于处理器使用缓存和写缓冲区，使得加载（读）和存储（写）操作看上去乱序执行。

上述①属于编译器重排序，②③属于处理器重排序。

我们一定要记住的是，

对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序。

对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求在Java编译器生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障指令（Memory Barrier/Fence），通过特定的内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

 

下一帖我们重点说下重排序和先行发生(Happen-before)原则相关内容，他们是理解JMM的关键！！