【非原创】java内存模型|java memory modelCDCN-码上中国博客

摘要

理解java内存模型对于设计多线程的java程序有很大的帮助

java内存模型特别的指java虚拟机如何使用计算机的内存（ram）。java虚拟机是一个计算机的模型，所以这个模型也自然的包含一个内存模型，也就是java内存模型。

对于想正确的设计并发的程序的开发者来说，理解java每次模型是非常重要的。java内存模型指出了如何处理不同线程见值写入的可见性和变量共享，以及必要时怎么同步访问共享变量。

原先的java内存模型是有缺陷的，所以java内存模型在java 1.5版本时重新设计了，而这个新的模型一直延续到如今的java8.

内置的java内存模型

jvm内置内存模型将内存区域划分为线程栈和堆两个区域。下面的图显示java内存模型的逻辑:

jvm model1.jpg

每个运行中jvm中的线程有它自己的线程栈，这个线程栈包含有目前它调用的方法的信息，可以把它叫做“Call Stack"，当线程执行它的代码，这个"call stack”会改变。

线程栈还包含有每个准备执行的本地变量。一个线程只能访问他们自己的线程栈。一个线程创建的本地变量对其它线程是不可见的。    即便两个线程执行同一段代码，两个线程也会在各自的线程栈中创建本地变量，因此每个线程都有每个本地变量属于自己的版本。

所有的基础类型的本地变量都储存在线程栈中，而且对其他线程都是不可见的。一个线程可以拷贝一个变量到另一个线程，但无法共享。

堆中包含有一个应用中所有的对象（即非基础类型的），不管哪个线程创建的，这个也包括基础类型的包装类对象（即Long,Integer等等）。无论一个object是被创建的还是指向一个本地变量，亦或者从其他的object创建的成员变量，它都会被存储在堆中。

如下图表示：

一个对象的成员变量都存储在堆中与该对象本身一起，无论它是基础变量类型还是指向一个object。

静态的类变量也存储在堆中。

堆中的对象可以被所有的线程访问，它们可以持有对这个对象的引用，当一个线程访问一个object时，它也可以访问这个object的成员变量。如果两个线程同时调用同一对象的同一方法，它们都可以访问到这个object的成员变量，但每个线程拥有自己的拷贝作为本地变量。

如下图：

两个线程都执行同一段代码，这代码有两个方法，第一个方法有两个本地变量，其中变量2都指向一个堆对象object2，而object2又有两个成员变量object3和object4，两个线程中的方法2都有一个本地变量，该变量一个执行object1，一个指向Object6.

因此线程1和线程2可以共同访问object2，虽然他们都各自有method1中的Local variable2，但它们都指向object2，而object2又有object3和object4这两个成员变量，因此他们也有着对这两个对象的访问权。

硬件内存模型：

如下是一个对现在内存模型简单的图示：

现代计算机通常拥有两个或更多的cpu，而有的cpu还有多个核心。这意味着如果java应用程序是多线程的，那么每个cpu都可以同时运行着一个线程（即并发）。

每个cpu都有一组寄存器，cpu操作寄存器比操作内存的变量快得多。

每个cpu也可能有一个cpu缓存层。事实上，现在大多数cpu都有一定大小的缓存。cpu访问缓存也比主存快得多，但没有访问寄存器那么快，也就是介于两者之间。有一些cpu有多级缓存（例如我的就有三级缓存），当然这个不需要太了解，我们只需要知道cpu可以有缓存。

通常一个cpu需要访问主存数据时，它会读取部分数据倒缓存中，它也可能读取缓存的数据倒寄存器中然后操作它。当cpu需要将结果写入到内存，它会将寄存器的值刷新到缓存中，然后在某个时间将值刷新到内存中。

缓存中的值通常会在cpu需要其他的数据时刷新到主存中。cpu的缓存可以在某个时间写数据，然后在另一个时间刷新到内存。

java内存模型中的不论堆还是栈都可以在计算机这三个存储元件中，这里就因此会引发下面的一个问题：

如果有一个object（自然是在堆中）储存在主存中，一个线程运行在cpu1中，然后读取这个可以共享的object，这让他可以改变这个object，因为是首先修改了缓存的数据，当在缓存的数据并未写入到主存前，运行在其他cpu的内存就访问不到这个改变后的版本，这是因为每一个线程都有自己对这个对象的拷贝，而且拷贝到不同的cpu缓存中的。

这个问题可以用java关键字volatile解决，volatile关键词可以确保这个变量是直接从主存中读取的，而且更新后会直接写入到主存中。

资源竞争问题：

如果多个线程访问同一个对象，然后都修改了这个对象，这会引起资源竞争问题（Race conditions)

想象这样的一个场景，如果一个线程A读取一个共享的对象的变量count，线程B做了同样的动作，但是读取到不同的cpu缓存中，现在线程A对这个count加了1，线程B做了同样的动作，所以这个count同时被增长了两次但在不同的缓存中。

如果这些增长是相继的发生，那么写回到主存中的将是原有的值+1.

然而，这两个增长操作是在并未加锁下同时发生的。无论是A还是B修改后的版本写回到主存中，这个更新值都最多是加了1而不是2。

这个使用volition并不能有效的解决，因为volition只能保证是从主存中读取的，A跟B可能同时读取这个值，这时即便其中任意一个线程更新完写入到主存，另一个线程也不是修改后的值。

这可以使用java synchronized block解决，一个synchronized block在某个时间段只能被一个线程访问。同步代码块保证这个代码块中的变量都是从主存中读入的，而且当线程退出这个代码块是，所有的变量都会写入到主存中，无论这个变量声明了volatile与否。

这篇文章非我原创，是一篇英文文章我做的简单的翻译过来的，原文地址是：http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/java-memory-model.html。

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