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Java內(nèi)存模型規(guī)范了Java虛擬機(jī)與計(jì)算機(jī)內(nèi)存是如何協(xié)同工作的耘擂。Java虛擬機(jī)是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)的一個(gè)模型胆剧，因此這個(gè)模型自然也包含一個(gè)內(nèi)存模型——又稱(chēng)為Java內(nèi)存模型。

如果你想設(shè)計(jì)表現(xiàn)良好的并發(fā)程序，理解Java內(nèi)存模型是非常重要的秩霍。Java內(nèi)存模型規(guī)定了如何和何時(shí)可以看到由其他線(xiàn)程修改過(guò)后的共享變量的值篙悯，以及在必須時(shí)如何同步的訪(fǎng)問(wèn)共享變量。

原始的Java內(nèi)存模型存在一些不足铃绒，因此Java內(nèi)存模型在Java1.5時(shí)被重新修訂鸽照。這個(gè)版本的Java內(nèi)存模型在Java8中人在使用。

Java內(nèi)存模型內(nèi)部原理

Java內(nèi)存模型把Java虛擬機(jī)內(nèi)部劃分為線(xiàn)程棧和堆颠悬。這張圖演示了Java內(nèi)存模型的邏輯視圖矮燎。

每一個(gè)運(yùn)行在Java虛擬機(jī)里的線(xiàn)程都擁有自己的線(xiàn)程棧。這個(gè)線(xiàn)程棧包含了這個(gè)線(xiàn)程調(diào)用的方法當(dāng)前執(zhí)行點(diǎn)相關(guān)的信息赔癌。一個(gè)線(xiàn)程僅能訪(fǎng)問(wèn)自己的線(xiàn)程棧诞外。一個(gè)線(xiàn)程創(chuàng)建的本地變量對(duì)其它線(xiàn)程不可見(jiàn)，僅自己可見(jiàn)灾票。即使兩個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行同樣的代碼峡谊，這兩個(gè)線(xiàn)程任然在在自己的線(xiàn)程棧中的代碼來(lái)創(chuàng)建本地變量。因此铝条，每個(gè)線(xiàn)程擁有每個(gè)本地變量的獨(dú)有版本靖苇。
所有原始類(lèi)型的本地變量都存放在線(xiàn)程棧上席噩，因此對(duì)其它線(xiàn)程不可見(jiàn)班缰。一個(gè)線(xiàn)程可能向另一個(gè)線(xiàn)程傳遞一個(gè)原始類(lèi)型變量的拷貝，但是它不能共享這個(gè)原始類(lèi)型變量自身悼枢。
堆上包含在Java程序中創(chuàng)建的所有對(duì)象埠忘，無(wú)論是哪一個(gè)對(duì)象創(chuàng)建的。這包括原始類(lèi)型的對(duì)象版本馒索。如果一個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建然后賦值給一個(gè)局部變量莹妒，或者用來(lái)作為另一個(gè)對(duì)象的成員變量，這個(gè)對(duì)象任然是存放在堆上绰上。
下面這張圖演示了調(diào)用棧和本地變量存放在線(xiàn)程棧上旨怠，對(duì)象存放在堆上。

一個(gè)對(duì)象可能包含方法课锌，這些方法可能包含本地變量。這些本地變量任然存放在線(xiàn)程棧上祈秕，即使這些方法所屬的對(duì)象存放在堆上渺贤。
一個(gè)對(duì)象的成員變量可能隨著這個(gè)對(duì)象自身存放在堆上雏胃。不管這個(gè)成員變量是原始類(lèi)型還是引用類(lèi)型。
靜態(tài)成員變量跟隨著類(lèi)定義一起也存放在堆上志鞍。
存放在堆上的對(duì)象可以被所有持有對(duì)這個(gè)對(duì)象引用的線(xiàn)程訪(fǎng)問(wèn)丑掺。當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程可以訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)對(duì)象時(shí)，它也可以訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)對(duì)象的成員變量述雾。如果兩個(gè)線(xiàn)程同時(shí)調(diào)用同一個(gè)對(duì)象上的同一個(gè)方法街州，它們將會(huì)都訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)對(duì)象的成員變量，但是每一個(gè)線(xiàn)程都擁有這個(gè)本地變量的私有拷貝玻孟。
下圖演示了上面提到的點(diǎn)：

因此帖烘，什么類(lèi)型的Java代碼會(huì)導(dǎo)致上面的內(nèi)存圖呢？如下所示：

public class MyRunnable implements Runnable() {
    public void run() {
        methodOne();
    }
    public void methodOne() {
        int localVariable1 = 45;
        MySharedObject localVariable2 =
            MySharedObject.sharedInstance;
        //... do more with local variables.
        methodTwo();
    }
    public void methodTwo() {
        Integer localVariable1 = new Integer(99);
        //... do more with local variable.
    }
}
public class MySharedObject {
    //static variable pointing to instance of MySharedObject
    public static final MySharedObject sharedInstance =
    new MySharedObject();
    //member variables pointing to two objects on the heap
    public Integer object2 = new Integer(22);
    public Integer object4 = new Integer(44);
    public long member1 = 12345;
    public long member1 = 67890;
}

如果兩個(gè)線(xiàn)程同時(shí)執(zhí)行 run() 方法橄杨，就會(huì)出現(xiàn)上圖所示的情景秘症。 run() 方法調(diào)用methodOne() 方法， methodOne() 調(diào)用 methodTwo() 方法讥珍。

methodOne() 聲明了一個(gè)原始類(lèi)型的本地變量和一個(gè)引用類(lèi)型的本地變量历极。

每個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行 methodOne() 都會(huì)在它們對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程棧上創(chuàng)建 localVariable1 和 localVariable2 的私有拷貝。 localVariable1 變量彼此完全獨(dú)立衷佃，僅“生活”在每個(gè)線(xiàn)程的線(xiàn)程棧上趟卸。一個(gè)線(xiàn)程看不到另一個(gè)線(xiàn)程對(duì)它的 localVariable1 私有拷貝做出的修改。

每個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行 methodOne() 時(shí)也將會(huì)創(chuàng)建它們各自的 localVariable2 拷貝。然而锄列，兩個(gè) localVariable2 的不同拷貝都指向堆上的同一個(gè)對(duì)象图云。代碼中通過(guò)一個(gè)靜態(tài)變量設(shè)置 localVariable2 指向一個(gè)對(duì)象引用。僅存在一個(gè)靜態(tài)變量的一份拷貝邻邮，這份拷貝存放在堆上竣况。因此， localVariable2 的兩份拷貝都指向由 MySharedObject指向的靜態(tài)變量的同一個(gè)實(shí)例筒严。 MySharedObject 實(shí)例也存放在堆上丹泉。它對(duì)應(yīng)于上圖中的Object3。

注意鸭蛙， MySharedObject 類(lèi)也包含兩個(gè)成員變量摹恨。這些成員變量隨著這個(gè)對(duì)象存放在堆上。這兩個(gè)成員變量指向另外兩個(gè) Integer 對(duì)象娶视。這些 Integer 對(duì)象對(duì)應(yīng)于上圖中的Object2和Object4.

注意晒哄， methodTwo() 創(chuàng)建一個(gè)名為 localVariable 的本地變量。這個(gè)成員變量是一個(gè)指向一個(gè) Integer 對(duì)象的對(duì)象引用肪获。這個(gè)方法設(shè)置 localVariable1 引用指向一個(gè)新的 Integer 實(shí)例寝凌。在執(zhí)行 methodTwo 方法時(shí)， localVariable1 引用將會(huì)在每個(gè)線(xiàn)程中存放一份拷貝孝赫。這兩個(gè) Integer 對(duì)象實(shí)例化將會(huì)被存儲(chǔ)堆上较木，但是每次執(zhí)行這個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的 Integer 對(duì)象寒锚，兩個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行這個(gè)方法將會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)不同的 Integer 實(shí)例劫映。 methodTwo 方法創(chuàng)建的 Integer 對(duì)象對(duì)應(yīng)于上圖中的Object1和Object5。

還有一點(diǎn)刹前， MySharedObject 類(lèi)中的兩個(gè) long 類(lèi)型的成員變量是原始類(lèi)型的。因?yàn)榇粕＃@些變量是成員變量喇喉，所以它們?nèi)稳浑S著該對(duì)象存放在堆上，僅有本地變量存放在線(xiàn)程棧上校坑。

硬件內(nèi)存架構(gòu)

現(xiàn)代硬件內(nèi)存模型與Java內(nèi)存模型有一些不同拣技。理解內(nèi)存模型架構(gòu)以及Java內(nèi)存模型如何與它協(xié)同工作也是非常重要的。這部分描述了通用的硬件內(nèi)存架構(gòu)耍目，下面的部分將會(huì)描述Java內(nèi)存是如何與它“聯(lián)手”工作的膏斤。
下面是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)的簡(jiǎn)單圖示：

一個(gè)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通常由兩個(gè)或者多個(gè)CPU。其中一些CPU還有多核邪驮。從這一點(diǎn)可以看出莫辨，在一個(gè)有兩個(gè)或者多個(gè)CPU的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線(xiàn)程是可能的。每個(gè)CPU在某一時(shí)刻運(yùn)行一個(gè)線(xiàn)程是沒(méi)有問(wèn)題的。這意味著沮榜，如果你的Java程序是多線(xiàn)程的盘榨，在你的Java程序中每個(gè)CPU上一個(gè)線(xiàn)程可能同時(shí)（并發(fā)）執(zhí)行。
每個(gè)CPU都包含一系列的寄存器蟆融，它們是CPU內(nèi)內(nèi)存的基礎(chǔ)草巡。CPU在寄存器上執(zhí)行操作的速度遠(yuǎn)大于在主存上執(zhí)行的速度。這是因?yàn)镃PU訪(fǎng)問(wèn)寄存器的速度遠(yuǎn)大于主存型酥。
每個(gè)CPU可能還有一個(gè)CPU緩存層山憨。實(shí)際上，絕大多數(shù)的現(xiàn)代CPU都有一定大小的緩存層弥喉。CPU訪(fǎng)問(wèn)緩存層的速度快于訪(fǎng)問(wèn)主存的速度萍歉，但通常比訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)部寄存器的速度還要慢一點(diǎn)。一些CPU還有多層緩存档桃，但這些對(duì)理解Java內(nèi)存模型如何和內(nèi)存交互不是那么重要枪孩。只要知道CPU中可以有一個(gè)緩存層就可以了。
一個(gè)計(jì)算機(jī)還包含一個(gè)主存藻肄。所有的CPU都可以訪(fǎng)問(wèn)主存蔑舞。主存通常比CPU中的緩存大得多。
通常情況下嘹屯，當(dāng)一個(gè)CPU需要讀取主存時(shí)攻询，它會(huì)將主存的部分讀到CPU緩存中。它甚至可能將緩存中的部分內(nèi)容讀到它的內(nèi)部寄存器中州弟，然后在寄存器中執(zhí)行操作钧栖。當(dāng)CPU需要將結(jié)果寫(xiě)回到主存中去時(shí)，它會(huì)將內(nèi)部寄存器的值刷新到緩存中婆翔，然后在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)將值刷新回主存拯杠。
當(dāng)CPU需要在緩存層存放一些東西的時(shí)候，存放在緩存中的內(nèi)容通常會(huì)被刷新回主存啃奴。CPU緩存可以在某一時(shí)刻將數(shù)據(jù)局部寫(xiě)到它的內(nèi)存中潭陪，和在某一時(shí)刻局部刷新它的內(nèi)存。它不會(huì)再某一時(shí)刻讀/寫(xiě)整個(gè)緩存最蕾。通常依溯，在一個(gè)被稱(chēng)作“cache lines”的更小的內(nèi)存塊中緩存被更新。一個(gè)或者多個(gè)緩存行可能被讀到緩存瘟则，一個(gè)或者多個(gè)緩存行可能再被刷新回主存黎炉。

Java內(nèi)存模型和硬件內(nèi)存架構(gòu)之間的橋接

上面已經(jīng)提到，Java內(nèi)存模型與硬件內(nèi)存架構(gòu)之間存在差異醋拧。硬件內(nèi)存架構(gòu)沒(méi)有區(qū)分線(xiàn)程棧和堆慷嗜。對(duì)于硬件淀弹，所有的線(xiàn)程棧和堆都分布在主內(nèi)中。部分線(xiàn)程棧和堆可能有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)在CPU緩存中和CPU內(nèi)部的寄存器中洪添。如下圖所示：

當(dāng)對(duì)象和變量被存放在計(jì)算機(jī)中各種不同的內(nèi)存區(qū)域中時(shí)垦页，就可能會(huì)出現(xiàn)一些具體的問(wèn)題。主要包括如下兩個(gè)方面：
-線(xiàn)程對(duì)共享變量修改的可見(jiàn)性-當(dāng)讀干奢，寫(xiě)和檢查共享變量時(shí)出現(xiàn)race conditions
下面我們專(zhuān)門(mén)來(lái)解釋以下這兩個(gè)問(wèn)題痊焊。

共享對(duì)象可見(jiàn)性

如果兩個(gè)或者更多的線(xiàn)程在沒(méi)有正確的使用 volatile
聲明或者同步的情況下共享一個(gè)對(duì)象，一個(gè)線(xiàn)程更新這個(gè)共享對(duì)象可能對(duì)其它線(xiàn)程來(lái)說(shuō)是不接見(jiàn)的忿峻。
想象一下薄啥，共享對(duì)象被初始化在主存中。跑在CPU上的一個(gè)線(xiàn)程將這個(gè)共享對(duì)象讀到CPU緩存中逛尚。然后修改了這個(gè)對(duì)象垄惧。只要CPU緩存沒(méi)有被刷新會(huì)主存，對(duì)象修改后的版本對(duì)跑在其它CPU上的線(xiàn)程都是不可見(jiàn)的绰寞。這種方式可能導(dǎo)致每個(gè)線(xiàn)程擁有這個(gè)共享對(duì)象的私有拷貝到逊，每個(gè)拷貝停留在不同的CPU緩存中。
下圖示意了這種情形滤钱。跑在左邊CPU的線(xiàn)程拷貝這個(gè)共享對(duì)象到它的CPU緩存中觉壶，然后將count變量的值修改為2。這個(gè)修改對(duì)跑在右邊CPU上的其它線(xiàn)程是不可見(jiàn)的件缸，因?yàn)樾薷暮蟮腸ount的值還沒(méi)有被刷新回主存中去铜靶。

解決這個(gè)問(wèn)題你可以使用Java中的 volatile
關(guān)鍵字。 volatile
關(guān)鍵字可以保證直接從主存中讀取一個(gè)變量他炊，如果這個(gè)變量被修改后争剿，總是會(huì)被寫(xiě)回到主存中去。

Race Conditions

如果兩個(gè)或者更多的線(xiàn)程共享一個(gè)對(duì)象痊末，多個(gè)線(xiàn)程在這個(gè)共享對(duì)象上更新變量蚕苇，就有可能發(fā)生 race conditions 。
想象一下舌胶，如果線(xiàn)程A讀一個(gè)共享對(duì)象的變量count到它的CPU緩存中捆蜀。再想象一下，線(xiàn)程B也做了同樣的事情幔嫂，但是往一個(gè)不同的CPU緩存中。現(xiàn)在線(xiàn)程A將 count
加1誊薄，線(xiàn)程B也做了同樣的事情÷亩鳎現(xiàn)在 count
已經(jīng)被增在了兩個(gè)，每個(gè)CPU緩存中一次呢蔫。
如果這些增加操作被順序的執(zhí)行切心，變量 count
應(yīng)該被增加兩次飒筑，然后原值+2被寫(xiě)回到主存中去。
然而绽昏，兩次增加都是在沒(méi)有適當(dāng)?shù)耐较虏l(fā)執(zhí)行的协屡。無(wú)論是線(xiàn)程A還是線(xiàn)程B將 count
修改后的版本寫(xiě)回到主存中取，修改后的值僅會(huì)被原值大1全谤，盡管增加了兩次肤晓。
下圖演示了上面描述的情況：