Java內(nèi)存模型的原理是什么

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所有的編程語(yǔ)言中都有內(nèi)存模型這個(gè)概念，區(qū)別于微架構(gòu)的內(nèi)存模型，高級(jí)語(yǔ)言的內(nèi)存模型包括了編譯器和微架構(gòu)兩部分。我試圖了解了Java、C#和Go語(yǔ)言的內(nèi)存模型，發(fā)現(xiàn)內(nèi)容基本大同小異，只是這些語(yǔ)言在具體實(shí)現(xiàn)的時(shí)候略有不同。

我們來(lái)看看Java內(nèi)存模型吧，提到Java內(nèi)存模型大家對(duì)這個(gè)圖一定非常熟悉：

這張圖告訴我們?cè)诰€程運(yùn)行的時(shí)候有一個(gè)內(nèi)存專用的一小塊內(nèi)存，當(dāng)Java程序會(huì)將變量同步到線程所在的內(nèi)存，這時(shí)候會(huì)操作工作內(nèi)存中的變量，而線程 中變量的值何時(shí)同步回主內(nèi)存是不可預(yù)期的。但同時(shí)Java內(nèi)存模型又告訴我們通過(guò)使用關(guān)鍵詞“synchronized”或“volatile”可以讓 Java保證某些約束：

“volatile” — 保證讀寫的都是主內(nèi)存的變量

“synchronized” — 保證在塊開始時(shí)都同步主內(nèi)存的值到工作內(nèi)存，而塊結(jié)束時(shí)將變量同步回主內(nèi)存

通過(guò)以上描述我們就可以寫出線程安全的Java程序，JDK也同時(shí)幫我們屏蔽了很多底層的東西。

但當(dāng)你深入了解JVM的時(shí)候你會(huì)發(fā)現(xiàn)根本就沒(méi)有工作內(nèi)存這個(gè)東西，即內(nèi)存中根本不會(huì)分配這么一塊空間來(lái)運(yùn)行你的Java程序，那么工作內(nèi)存到底是什么東西呢？

這個(gè)問(wèn)題也曾經(jīng)困擾了我很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)槲覐膩?lái)沒(méi)有從JVM的實(shí)現(xiàn)中找到過(guò)和主內(nèi)存同步的代碼，因?yàn)楫?dāng)使用“volatile”時(shí)我僅僅能從源代碼中調(diào)用了這行語(yǔ)句：

__asm__ volatile ("lock; addl $0,0(%%esp)" : : : "cc", "memory");

而這個(gè)指令在部分微架構(gòu)上的主要功能就是防止指令重排，即這條指令前后的其它指令不會(huì)越過(guò)這個(gè)界限執(zhí)行[注1]。

在現(xiàn)在的x86/x64微架構(gòu)中讀寫內(nèi)存的一致性都是通過(guò)MESI（Intel使用MESI-F，AMD使用MOESI）協(xié)議保證[注2]，MESI的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

更詳細(xì)的中文文檔描述可以查看這個(gè)文檔：http://blog.csdn.net/zhuliting/article/details/6210921

那Java內(nèi)存模型中所說(shuō)的工作內(nèi)存是什么呢？

我的理解是，首先“工作內(nèi)存”是一個(gè)虛擬的概念，而承載這個(gè)概念主要是兩部分：

1. 編譯器

2. 微架構(gòu)

作為編譯器肯定是執(zhí)行速度越快越好，所以作為編譯器應(yīng)當(dāng)盡量減少?gòu)膬?nèi)存讀數(shù)據(jù)，如果一個(gè)數(shù)據(jù)在寄存器中，那么直接使用寄存器中的值無(wú)疑性能是*** 的，但同時(shí)這也會(huì)導(dǎo)致可能讀不到***的值，這里我們通過(guò)在Java語(yǔ)言中為變量加上“volatile”強(qiáng)制告訴編譯器這個(gè)變量一定要從內(nèi)存獲得，這時(shí)編 譯器即不會(huì)做此類優(yōu)化【案例見(jiàn)參考資料5（是一個(gè).Net的例子）】。

對(duì)于微架構(gòu)來(lái)說(shuō)，在x86/x64下，CPU會(huì)在執(zhí)行指令時(shí)做指令重排，即編譯器生成的指令順序和真正在CPU執(zhí)行的順序可能是不一致的。當(dāng)我們用一個(gè)變量做信號(hào)的時(shí)候這種指令重排會(huì)帶來(lái)悲劇，即如果有如下代碼：

x = 0; y = 0; i = 0; j = 0; // thread A y = 1; x = 1; // thread B i = x; j = y;

上面的代碼i和j的值會(huì)是多少呢？答案是：“00， 01， 10， 11”都是有可能的。

對(duì)于這種情況，如果我們想得到確定的結(jié)果則需要通過(guò)“synchronized”（或者j.c.u.locks）來(lái)做線程間同步。

所以，我個(gè)人對(duì)Java內(nèi)存模型的理解是：在編譯器各種優(yōu)化及多種類型的微架構(gòu)平臺(tái)上，Java語(yǔ)言規(guī)范制定者試圖創(chuàng)建一個(gè)虛擬的概念并傳遞到 Java程序員，讓他們能夠在這個(gè)虛擬的概念上寫出線程安全的程序來(lái)，而編譯器實(shí)現(xiàn)者會(huì)根據(jù)Java語(yǔ)言規(guī)范中的各種約束在不同的平臺(tái)上達(dá)到Java程序 員所需要的線程安全這個(gè)目的。

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