深入理解Java虚拟机笔记—内存模型

主内存与工作内存

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则,即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。此处的变量(Variable)与Java编译中所说的变量略有区别,它包括了实例字段,静态字段和构成数组对象的元素,但是不包括局部变量与方法参数,因为后者是线程私有的,不会被共享,自然就不存在竞争的问题。了为获得比较好的执行效率,Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互,也没有限制即时编译器调整代码执行顺序这类权限。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中。每条线程还有自己的工作内存(Working Memory),线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝,线程对变量的所有操作(读取,赋值等)都必须是工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成,线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下图:

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内存间交互操作

一个变量如何从主内存拷贝到工作内存,如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节,Java内存模型中定义了以下8种操作来完成。

  1. lock(锁定):作用于主内存变量,它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
  2. unlock(解锁):作用于主内存变量,它把一个处理锁定的状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其它线程锁定,unlock之前必须将变量值同步回主内存。
  3. read(读取):作用于主内存变量,它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用。
  4. load(载入):作用于工作内存变量,它把read操作从主内存中得到的值放入工作内存的变量副本中。
  5. use(使用):作用于工作内存中的变量,它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的字节码指令时将会执行这个操作。
  6. assign(赋值):作用于工作内存变量,它把一个从执行引擎接到的值赋值给工作内存的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
  7. store(存储):作用于工作内存的变量,它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中,以便随后的write操作使用。
  8. write(写入):作用于主内存的变量,它把store操作从工作内存中得到的值放入主内存的变量中。

如果要把一个变量从主内存复制到工作内存,那就要顺序地执行read和load操作,如果要把变量从工作内存同步回主内存,就要顺序地执行store和write操作。Java内存模型只是要求上述两个操作必须按顺序执行,而没有保证必须是连续执行。也就是说read与load之间、store与write之间是可以插入其它指令的,如果对主在内中的变量a,b进行访问时,一种可能出现的顺序是read a、read b、load b、load a。除此之外,Java内存模型还规定了执行上述八种基础操作时必须满足如下规则:

  1. 不允许read和load、store和write操作之一单独出现,即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受,或者从工作内存发起回写但主内存不接受的情况出现。
  2. 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作,即变量在工作内存中改变(为工作内存变量赋值)了之后必须把该变化同步回主内存。
  3. 不允许一个线程无原因地(没有发生任何assign操作)把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
  4. 一个新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和assign)的变量,换话说就是一个变量在实施use和store操作之前,必须先执行过了assign和load操作。
  5. 一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作,但lock操作可以被同一个线程重复执行多次,多次执行lock后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁。
  6. 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。
  7. 如果一个变量事先没有被load操作锁定,则不允许对它执行unlock操作;也不允许去unlock一个被其它线程锁定的变量。
  8. 对一个变量执行unloack之前,必须把此变量同步回主内存中(执行store和write操作)

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