Java內存模型的原理是什么

這篇文章將為大家詳細講解有關(guān)Java內存模型的原理是什么，文章內容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關(guān)知識有一定的了解。

所有的編程語(yǔ)言中都有內存模型這個(gè)概念，區別于微架構的內存模型，高級語(yǔ)言的內存模型包括了編譯器和微架構兩部分。我試圖了解了Java、C#和Go語(yǔ)言的內存模型，發(fā)現內容基本大同小異，只是這些語(yǔ)言在具體實(shí)現的時(shí)候略有不同。

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

這張圖告訴我們在線(xiàn)程運行的時(shí)候有一個(gè)內存專(zhuān)用的一小塊內存，當Java程序會(huì )將變量同步到線(xiàn)程所在的內存，這時(shí)候會(huì )操作工作內存中的變量，而線(xiàn)程 中變量的值何時(shí)同步回主內存是不可預期的。但同時(shí)Java內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(xiě)的都是主內存的變量

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

通過(guò)以上描述我們就可以寫(xiě)出線(xiàn)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。

但當你深入了解JVM的時(shí)候你會(huì )發(fā)現根本就沒(méi)有工作內存這個(gè)東西，即內存中根本不會(huì )分配這么一塊空間來(lái)運行你的Java程序，那么工作內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(cháng)時(shí)間，因為我從來(lái)沒(méi)有從JVM的實(shí)現中找到過(guò)和主內存同步的代碼，因為當使用“volatile”時(shí)我僅僅能從源代碼中調用了這行語(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)界限執行[注1]。

在現在的x86/x64微架構中讀寫(xiě)內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)轉換圖如下：

更詳細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內存模型中所說(shuō)的工作內存是什么呢？

我的理解是，首先“工作內存”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

作為編譯器肯定是執行速度越快越好，所以作為編譯器應當盡量減少從內存讀數據，如果一個(gè)數據在寄存器中，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”強制告訴編譯器這個(gè)變量一定要從內存獲得，這時(shí)編 譯器即不會(huì )做此類(lèi)優(yōu)化【案例見(jiàn)參考資料5（是一個(gè).Net的例子）】。

對于微架構來(lái)說(shuō)，在x86/x64下，CPU會(huì )在執行指令時(shí)做指令重排，即編譯器生成的指令順序和真正在CPU執行的順序可能是不一致的。當我們用一個(gè)變量做信號的時(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。

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

所以，我個(gè)人對Java內存模型的理解是：在編譯器各種優(yōu)化及多種類(lèi)型的微架構平臺上，Java語(yǔ)言規范制定者試圖創(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(xiě)出線(xiàn)程安全的程序來(lái)，而編譯器實(shí)現者會(huì )根據Java語(yǔ)言規范中的各種約束在不同的平臺上達到Java程序 員所需要的線(xiàn)程安全這個(gè)目的。