什么是JMM
JMM即为JAVA 内存模型(java memory model)。因为在不同的硬件生产商和不同的操作系统下,内存的访问逻辑有一定的差异,结果就是当你的代码在某个系统环境下运行良好,并且线程安全,但是换了个系统就出现各种问题。Java内存模型,就是为了屏蔽系统和硬件的差异,让一套代码在不同平台下能到达相同的访问结果。JMM从java 5开始的JSR-133发布后,已经成熟和完善起来。
内存模型描述了程序中各个变量(实例域、静态域和数组元素)之间的关系,以及在实际计算机系统中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节
内存划分
JMM规定了内存主要划分为主内存(Main Memory)和工作内存(Working Memory)两种。此处的主内存和工作内存跟JVM内存划分(堆、栈、方法区)是在不同的层次上进行的。
JMM规定了所有的变量都存储在主内存中。每个线程还有自己的工作内存,线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存的副本拷贝,线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量(volatile变量仍然有工作内存的拷贝,但是由于它特殊的操作顺序性规定,所以看起来如同直接在主内存中读写访问一般)。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程之间值的传递都需要通过主内存来完成。
JVM在设计时候考虑到,如果JAVA线程每次读取和写入变量都直接操作主内存,对性能影响比较大,所以每条线程拥有各自的工作内存,工作内存中的变量是主内存中的一份拷贝,线程对变量的读取和写入,直接在工作内存中操作,而不能直接去操作主内存中的变量。但是这样就会出现一个问题,当一个线程修改了自己工作内存中变量,对其他线程是不可见的,会导致线程不安全的问题。因为JMM制定了一套标准来保证开发者在编写多线程程序的时候,能够控制什么时候内存会被同步给其他线程。
内存交互操作
内存交互操作有8种,虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的,不可在分的(对于double和long类型的变量来说,load、store、read和write操作在某些平台上允许例外)
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lock (锁定):作用于主内存的变量,把一个变量标识为线程独占状态
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unlock (解锁):作用于主内存的变量,它把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其他线程锁定
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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
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load (载入):作用于工作内存的变量,它把read操作从主存中变量放入工作内存中
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use (使用):作用于工作内存中的变量,它把工作内存中的变量传输给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值,就会使用到这个指令
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assign (赋值):作用于工作内存中的变量,它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
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store (存储):作用于主内存中的变量,它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中,以便后续的write使用
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write (写入):作用于主内存中的变量,它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中
JMM对这八种指令的使用,制定了如下规则:
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不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load,使用了store必须write
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不允许线程丢弃他最近的assign操作,即工作变量的数据改变了之后,必须告知主存
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不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存
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一个新的变量必须在主内存中诞生,不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施use、store操作之前,必须经过assign和load操作
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一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后,必须执行相同次数的unlock才能解锁
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如果对一个变量进行lock操作,会清空所有工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前,必须重新load或assign操作初始化变量的值
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如果一个变量没有被lock,就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量
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对一个变量进行unlock操作之前,必须把此变量同步回主内存
JMM对这八种操作规则和对volatile的一些特殊规则就能确定哪里操作是线程安全,哪些操作是线程不安全的了。但是这些规则实在复杂,很难在实践中直接分析。所以一般我们也不会通过上述规则进行分析。更多的时候,使用java的happen-before规则来进行分析。
模型特征
原子性:例如上面八项操作,在操作系统里面是不可分割的单元。被synchronized关键字或其他锁包裹起来的操作也可以认为是原子的。从一个线程观察另外一个线程的时候,看到的都是一个个原子性的操作。
1 synchronized (this) { 2 a=1; 3 b=2; 4 }
例如一个线程观察另外一个线程执行上面的代码,只能看到a、b都被赋值成功结果,或者a、b都尚未被赋值的结果。
示例
1 public class AtomicTest { 2 3 private volatile static int counter = 0; 4 5 public static void main(String[] args) { 6 7 for (int i = 0; i < 10; i++) { 8 Thread thread = new Thread(()->{ 9 for (int j = 0; j < 1000; j++) { 10 synchronized (AtomicTest.class){ 11 counter++; 12 } 13 } 14 }); 15 thread.start(); 16 } 17 18 try { 19 Thread.sleep(5000); 20 } catch (InterruptedException e) { 21 e.printStackTrace(); 22 } 23 24 System.out.println(counter); 25 26 } 27 }