Java併發（1）- 聊聊Java記憶體模型

knock_小新發表於2018-07-18
Java記憶體模型

引言

在計算機系統的發展過程中，由於CPU的運算速度和計算機儲存速度之間巨大的差距。為了解決CPU的運算速度和計算機儲存速度之間巨大的差距，設計人員在CPU和計算機儲存之間加入了快取記憶體來做為他們之間的橋樑，在運算時，先將資料拷貝到快取記憶體中，計算完成後再將結果寫入計算機儲存，這樣大大提高了計算效率，避免重複多次訪問計算機儲存造成的cpu資源浪費。

儘管這樣，CPU還是存在很多空閒的時間段，為了壓榨CPU的效能，多工處理誕生了，同時多工處理導致任務之間共享資源的爭搶，從而引發了併發問題。

在Java應用程式中，為了更好的解決併發問題，就必須深入理解Java記憶體模型。Java記憶體模型是Java虛擬機器非常重要的一部分，它用來指導Java虛擬機器是如何與計算機硬體記憶體之間協同工作的。在瞭解Java記憶體模型之前，我們先來看看計算機硬體記憶體模型是怎麼樣的。

硬體記憶體模型

Java併發（1）- 聊聊Java記憶體模型
現代計算機通常有2個或以上的CPU，單個CPU可能有多個核心。每個CPU核心中都包含一組暫存器，CPU在暫存器中執行操作比在計算機主儲存器中快的多。

同時每個CPU之上還存在快取記憶體，但快取記憶體的層級和位置是不固定的，現代計算機的快取層級很多達到了三級，未來可能更多。快取的位置也各有不同，有的整合了部分快取到CPU中。

同樣，快取的讀寫速度也大大快於計算機主儲存器，在暫存器和主儲存器之間，這樣的CPU--快取--主儲存的三層結構就構成了硬體記憶體模型。

CPU在程式的執行過程中，經常會頻繁的呼叫相同的資料，比如在一個迴圈內呼叫了位於另外一個實體地址的函式，這個函式可能與當前指令的物理位置相距甚遠，因為程式使用的實體記憶體並不是連續的，這就導致了需要花費很多不必要的時間在物理定址上。但如果在CPU計算之前會將所需要用到的資料先讀到快取中，計算完成之後再一次性寫入計算機主儲存器，就可以避免頻繁訪問計算機主儲存器造成的資源浪費。

Java記憶體模型

上面說了計算機的硬體記憶體模型，Java記憶體模型和硬體記憶體模型有很多類似的地方。由於存在不同的計算機作業系統型別和硬體型別，導致各種平臺下實體記憶體模型的不一致。為了讓Java上層開發有一個統一的記憶體訪問操作，保證多執行緒對共享資料的讀寫一致性，JVM規範定義了Java記憶體模型（Java Memory Model JMM）。

Java併發（1）- 聊聊Java記憶體模型
JMM通過happens-before語義（篇幅有限，後面的文章再詳細解說）定義了Java對資料的統一訪問規則。這些資料主要包括例項欄位，靜態欄位和構成陣列的元素，但不包括區域性變數、方法引數和異常處理引數，因為區域性變數和方法引數是執行緒私有的，不存在資料競爭問題。引用型別比較特殊，引用本身是執行緒私有的，但它引用的物件是可被共享的。

JMM還規定了所有的變數都儲存在主記憶體中（MainMemory），同時每個執行緒有自己的本地記憶體（LocalMeory,也叫工作記憶體），本地記憶體中儲存了所需要用到的主記憶體資料的拷貝。執行緒對變數的讀和寫都在本地記憶體中進行。

是不是發現JMM和硬體記憶體模型存在很多相似之處？主記憶體對應計算機主儲存，本地記憶體對應快取記憶體。但要知道它們雖然可以類比，卻並不是相同的東西。

本地記憶體僅僅是JMM的一個抽象概念，實際上JVM中並不存在這樣一個區域來對應，這個區域在廣義上可以包括快取、暫存器以及其他的硬體和編譯器優化等等。這句話可能聽起來比較難懂，我們只需要知道執行緒對共享變數的操作並不會直接訪問主記憶體，而是訪問一箇中間層，這個中間層包含了主記憶體中變數的拷貝，同時中間層的訪問速度大大快於訪問主記憶體的速度，在一定的操作之後將結果統一寫回主記憶體，這樣就大大提高了程式的效能。

同時也會產生另外一個問題，同一個共享變數在每一個執行緒之中都會有一份拷貝（對引用型別，並不是拷貝全部資料），產生的執行緒越多，快取開銷也就越大。

JVM記憶體模型

JVM記憶體模型定義的是執行緒堆疊和堆之間的記憶體劃分，它和Java記憶體模型是有區別的，參照《深入理解Java虛擬機器》中的解釋：

這兩者本沒有關係。如果一定要勉強對應，那從變數、主記憶體、工作記憶體的定義來看，主記憶體主要對應於Java堆中的物件例項資料部分，而工作記憶體則對應於虛擬機器棧中的部分割槽域。從更低層次上說，主記憶體就是實體記憶體，而為了獲取更好的執行速度，虛擬機器（甚至是硬體系統本身的優化措施）可能會讓工作記憶體優先儲存於暫存器和快取記憶體中，因為執行時主要訪問——讀寫的是工作記憶體。

Java併發（1）- 聊聊Java記憶體模型

所有的原始型別（boolean,byte,short,char,int,long,float,double）區域性變數都儲存線上程堆疊中，不對其他執行緒共享。堆中則包含了Java程式中建立的物件。 舉個例子：

public class MemoryModel {
	
	public int i = 0;
	
	public void methodOne() {
		
		int localVarOne = 1;
		
		SharedObject localVarTwo = SharedObject.sharedObject;
		
		Integer localVarThree = new Integer(1);
	}
}

public class SharedObject {
	
	pubic static SharedObject sharedObject = new SharedObject();
	
	public int sharedVarOne = 1;
}
複製程式碼

程式碼中區域性變數localVarOne儲存線上程堆疊中。區域性變數localVarTwo的引用儲存線上程堆疊中，但物件本身儲存在堆上。區域性變數localVarThree同localVarTwo一樣，引用儲存線上程堆疊中，但物件本身儲存在堆上。不同的是多執行緒執行methodOne方法時，localVarTwo由於是靜態型別，在堆中只有一份資料，而localVarThree在堆和堆疊中都有多份資料。區域性變數物件的成員變數sharedVarOne也儲存在堆上，無論sharedVarOne是基本型別還是引用型別都是如此。
參考資料：

  1. 《深入理解Java記憶體模型》
  2. 《深入理解Java虛擬機器》
  3. 《Java併發程式設計的藝術》
  4. http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/java-memory-model.html

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