Java併發編程原理-內存模型

基本概念

程序

代碼，完成某一任務的代碼序列（靜態的概念）

進程

程序在某些數據上的一次運行，有開始、有結束、有生命週期（動態的概念）

線程

一個進程包含一個或多個線程，佔有該資源（內存、CPU等）的獨立單元（微觀的概念）

JVM與線程

JVM什麼時候啓動 ：Java程序類被調用的時候，JVM線程會啓動，然後再啓動其他線程（如：main）

JVM內存區域

JVM內存區域是人爲劃分的區域，實際的物理區域並不會如此劃分的。

1. 方法區：類信息、常量、static、JIT（即時編譯） ，如常用的反射加載。（信息共享）
2. 堆區域：實例對象 GC（垃圾回收）工作的主要對象。（信息共享、OOM內存溢出）
3. VM stack（棧）：Java方法運行的內存模型（OOM內存溢出）。如下：
   
4. PC：Java線程的私有數據，這個數據就是執行下一條指令的地址。
5. native method stack：線程私有的區域 ，與虛擬機 jvm的native方法有關，一般情況下我們編碼開發過程中是不關心。

JVM內存模型

Java Memory Model（JMM），是一種規範，是一種抽象的模型。

1. 主內存：共享的信息
2. 工作內存：私有信息，如果是基本數據類型，直接分配到工作內存；如果是引用的地址，存放在工作內存；如果是引用的對象，那麼存放在堆中
3. 工作方式：
   A）線程修改私有數據，直接在工作空間修改
   B）線程修改共享數據，把數據複製到工作空間中去，在工作空間中修改，修改完成以後，刷新內存中的數據。有可能存在線程不安全（不一致性）

其中，JVM內存區域劃分就是根據JVM的內存模型（JMM）來進行實現的。JMM是模型，JVM內存區域是實現方案。工作內存對應的VM Stack，存儲私有信息，方法區和堆對應的主內存，可以進行信息共享。

硬件內存架構與Java內存模型

1. 硬件架構
   
   • CPU緩存的一致性問題：併發處理的不同步，如內存中的變量X=1，CPU1修改X=2，此時CPU2讀取X的值，那麼CPU2讀取的X的值有可能爲1（由於併發處理，此時Cache中的2還未同步到內存中），也有可能爲2.
   • 解決方案：
     • 總線（BUS）加鎖、 降低CPU的吞吐量，但也降低了CPU的處理能力
     • 緩存上的一致性協議（MESI）
       當CPU在Cache中操作數據時，如果該數據是共享變量，數據在CACHE讀到寄存器中，進行新修改，並更新內存數據
       CacheLINE（信號線）置無效，其他的CPU就不從Cache中讀取，而從內存中去讀數據。
2. Java線程與硬件處理器
   
3. Java內存模型與硬件內存架構的關係
   

由上可知，交叉訪問，導致數據不一致性。
4. Java內存模型的必要性
Java內存模型的作用：規範內存數據和工作空間數據的交互

併發編程的三個重要特性

1. 原子性：不可分割 ，如轉賬操作，扣錢和加錢，要麼同時成功，要麼同時失敗。再如給x賦值爲1，x=1，那麼也爲原子性。
2. 可見性：線程只能操作自己工作空間中的數據，不能操作其他工作空間的數據。操作內存中數據的時候，需要首先將內存中的數據讀取到自己的工作空間後進行操作。
3. 有序性：但程序中的順序不一定就是執行的順序，如以下代碼的執行順序不一定按照編寫順序進行執行，會對程序進行重排，目的是爲了優化代碼，提高執行效率。

   int x = 1;
   int y = 2;
   int z = 3;
   z = x + y;
   System.out.println("hello");
   int m = 0;
   

關於重排，主要有2種：編譯重排、指令重排
重排的原則：

• as-if-seria:不管怎麼重排序（編譯器和處理器爲了提高並行度），（單線程）程序的執行結果不會改變。編譯器和處理器不會對存在數據依賴關係的操作做重排序，因爲這種重排序會改變執行結果。但是，如果操作之間不存在數據依賴關係，這些操作就可能被編譯器和處理器重排序。如上述代碼，在不影響結果的情況下，CPU會優先執行耗時較少的讀操作，然後再執行寫操作。先執行x=1,y=2,z=3,m=0，然後再執行z=x+y。
• 如果一個操作執行的結果需要對另一個操作可見，那麼這2個操作之間必須要存在happens-before關係。兩個操作之間具有happens-before關係，並不意味着前一個操作必須要在後一個操作之前執行！happens-before僅僅要求前一個操作（執行的結果）對後一個操作可見，且前一個操作按順序排在第二個操作之前。

JMM對三個特徵的保證

JMM與原子性

如果是私有數據具有原子性，如果是共享數據沒原子性（讀寫）

• X=10 是一種寫操作， 具有原子性不可分割
• Y=X 沒有原子性（分2步執行）
  1. 把數據X讀到工作空間（原子性）
  2. 把X的值寫到Y（原子性）
• i++ 沒有原子性
  1. 讀i到工作空間
  2. +1；
  3. 刷新結果到內存
• Z=Z+1 沒有原子性
  1. 讀z到工作空間
  2. +1；
  3. 刷新結果到內存

結論：多個原子性的操作合併到一起沒有原子性
保證方式：

• Synchronized
• JUC Lock的lock

JMM與可見性

• Volatile:在JMM模型上實現MESI協議
• Synchronized:加鎖
• JUC Lock的lock

JMM與有序性

• Volatile：位置不變
• Synchronize：封鎖，位置不變
• Happens-before原則：
  1. 程序次序原則
  2. 鎖定原則 ：後一次加鎖必須等前一次解鎖
  3. Volatile原則：霸道原則
  4. 傳遞原則：A—B —C A–C