Java并发内存模型详情

java是一门支持多线程执行的语言，要编写正确的并发程序，了解java内存模型是重要前提。而了解硬件内存模型有助于理解程序的执行。

本文主要整理以下内容

• java内存模型
• 硬件内存架构
• 共享对象可见性
• 竞争条件

1、java内存模型

java内存模型最新修订是在java5。 jsr-176 罗列了 j2se5.0 相关发布特性，包含其中的 jsr-133（javatm内存模型与线程规范），java虚拟机遵循此规范。延续至今该内存模型在java8中依然奏效。

jsr 全称 java specification requests，意为java标准化技术规范的正式请求。

java程序运行在虚拟机上（jvm）。从逻辑角度看，jvm内存被划分为线程堆栈和堆。每个线程都拥有自己的堆栈，该线程堆栈存储的数据不对其它线程可见。堆内存用于存储共享数据。

线程堆栈存储方法中所有局部变量，包含原始类型（boolean，byte，short，char，int，long， float，double）和对象引用。

堆存储需要共享对象和静态变量。

注意：对象不一定都会存储到堆内存。看下面例子，假如果object对象不需要被其它线程共享，编译器会执行堆分配转化为栈分配。

解释一下，编译器会根据对象是否逃逸做出优化。优化的其中一项就是堆分配转化为栈分配，目的在于减轻gc压力，提升性能。此优化动作由jvm参数-xx:+doescapeanalysi 进行控制。java8 默认开启。

测试：通过开启或关闭 -xx:+printgc -xx:-doescapeanalysis 观察是否执行gc来判断对象存储位置。

public static void main(string[] args){
     for(int i = 0; i < 10000000; i++){
         createobj();
     }
 }
 public static void createobj(){
     new object();
 }

2、硬件内存架构

如下图，现代计算机通常都装有2个或者更多的cpu，cpu又可以是多核。一个cpu包含一组寄存器，每个cpu具有一个高速缓存，而高速缓存又分为l1，l2，l3，l4 不同层级缓存。

ram为主存储也就是我们说的计算机内存，所有cpu都可以读取主存储。

当cpu读取主存储数据时，它会将部分主存储数据读入cpu高速缓存中，又将缓存的中一部分读入寄存器执行，操作结束后，将值从寄存器刷新到高速缓存中，高速缓存在特定的时刻将数据统一刷新到内存中。

3、实际执行

事实上，上面阐述的java堆栈内存模型是为了理解抽象出来的。实际执行就像下图一样，线程栈和堆的数据可能分散到硬件不同的存储区域。数据分散在不同区域会带来以下两个主要问题。

3.1 共享对象可见性

下面场景两个线程同时操作对象obj.count，其中一个线程对obj.count进行更新，但是对其它线程不可见。

线程a操作obj时，先从主存里拷贝一个数据副本到cpu高速缓存，又到寄存器，然后修改obj.count=2后刷新到cpu高速缓存，但是数据暂未同步到主存。以此同时线程b也操作obj，拷贝的数据副本仍然为obj.count=1，这会导致程序结果错误。

解决此问题，可以使用java volatile关键字。volatile可简单理解为跳过cpu高速缓存，让修改结果及时同步到主存，从而保证了其它线程读到最新值。volatile 后期专门介绍。

3.2 竞争条件

另外一种情况假如果多个线程同时更行obj.count，这时会发生竞争条件。

解决方法，使用java synchronized 保证线程执行顺序，另外synchronized包裹中的所有变量都直接从主存读取（跳过cpu高速缓存），并且当线程退出synchronized后，所有更新的变量将同步到主存。

总结：

本文记录java内存模型，其中主要内容来源于 jakob jenkov 大神博客。

   http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/java-memory-model.html

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