基于JVM原理JMM模型和CPU緩存模型深入理解Java并發(fā)編程

1、基于jvm原理jmm模型和cpu緩存模型深入理解java并發(fā)編程許多以java多線程開發(fā)為主題的技術(shù)書籍，都會把對java虛擬機(jī)和java內(nèi)存模型的講解，作為講授java并發(fā)編程開發(fā)的主要內(nèi)容，有的還深化到計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存、cpu、緩存等予以解釋。事實上，在實際的java開發(fā)工作中，僅僅了解并發(fā)編程的創(chuàng)建、啟動、管理和通信等基本學(xué)問還是不夠的。一方面，假如要開發(fā)出高效、平安的并發(fā)程序，就必需深化java內(nèi)存模型和java虛擬機(jī)的工作原理，從底層了解并發(fā)編程的實質(zhì)；更進(jìn)一步地，在現(xiàn)今大數(shù)據(jù)的時代，要開發(fā)出高并發(fā)、高可用、考牢靠的分布式應(yīng)用及各種中間件，更需要深化到計算機(jī)工作原理的底層去舉行代碼開

2、發(fā)。 本文嘗試以一個較為全面的角度，以java虛擬機(jī)工作原理和java內(nèi)存模型為切入，協(xié)作一些計算機(jī)cpu緩存的學(xué)問，深化理解java多線程開發(fā)中的難點(diǎn)，包括線程平安和線程通信等內(nèi)容。 cpu緩存模型 規(guī)律上來說，大部分計算機(jī)系統(tǒng)的高級編程語言及其編譯器、虛擬機(jī)等構(gòu)件，都是來源于計算機(jī)硬件系統(tǒng)的原理和要求，而不是相反。java虛擬機(jī)和并發(fā)編程原理也不例外，因此第一部分先介紹一下困擾許多初學(xué)者的java多線程開發(fā)的源頭——cpu緩存模型。 計算機(jī)中，全部的計算都是在cpu寄存器中完成，而命令完成所需要的數(shù)據(jù)讀取和寫入，都需要從ram主存獵取。受硬件工藝的影

3、響，現(xiàn)在的cpu處理速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過主存的拜訪速度，差額基本是成千上萬的差距。 因此，cpu緩存設(shè)計應(yīng)運(yùn)而生。如下為cpu緩存架構(gòu)圖和cpu緩存與主存的速度對照： 用法cpu緩存來處理數(shù)據(jù)的步驟大致為： 1. 把需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到cpu緩存中； 2. cpu從緩存中讀取數(shù)據(jù)并計算； 3. 計算完成的數(shù)據(jù)刷新到主存中。 緩存全都性問題 如上的工作機(jī)制，會在多線程環(huán)境下導(dǎo)致緩存不全都的問題。為此，用法總線加鎖（已淘汰）和緩存全都性協(xié)議來解決，它大致的思想是： 當(dāng)cpu操作緩存中的數(shù)據(jù)時，假如發(fā)覺該變量是一個分享變量，意味著其它緩存中也會有這個變量的副本，然后—&

4、mdash; 1. 假如是讀操作，不做任何處理，只是從緩存中讀取數(shù)據(jù)到寄存器 2. 假如是寫操作，發(fā)出信號通知其它c(diǎn)pu將該變量的cache line置為無效狀態(tài)，其它c(diǎn)pu在運(yùn)行該變量讀取的時候需要從主存更新數(shù)據(jù)。 java虛擬機(jī) 受許多資料和書籍?dāng)⑹霾粐?yán)謹(jǐn)所致，無數(shù)初學(xué)者往往容易地把java虛擬機(jī)理解為類似編譯器甚至說明器的存在，把java虛擬機(jī)當(dāng)做黑盒，認(rèn)為輸入了java源代碼，就可以輸出計算機(jī)挺直跑的程序了；由于jvm在不同操作系統(tǒng)上都有實現(xiàn)，所以可以做到一份代碼，多種機(jī)器運(yùn)行的效果。這樣理解對小白或者外行人來說可能ok，但對于有主意深化學(xué)習(xí)java的小伙伴，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 實際上，j

5、ava虛擬機(jī)有自己完美的硬體架構(gòu)，如處理器、堆棧、寄存器等，還具有相應(yīng)的命令系統(tǒng)。包括編譯器以及jre在內(nèi)的整套體系，構(gòu)成了完整的jvm。jvm原生支持包括java、scala、kotlin在內(nèi)的語言編譯后運(yùn)行。而其中，jre又是jvm的核心部分。jre的體系結(jié)構(gòu)圖如下： 程序計數(shù)器：線程私有，每個線程都有自立的程序計數(shù)器，用于存放當(dāng)前線程接下來將要執(zhí)行的字節(jié)碼命令、分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異樣處理等信息。 java虛擬機(jī)棧：線程私有，生命周期與線程相同。線程運(yùn)行中，執(zhí)行辦法時都會創(chuàng)建棧幀，用于存放局部變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、辦法出口等信息。虛擬機(jī)棧的大小可以通過-xss來配置，需要特殊注重的是：

6、辦法的調(diào)用是棧幀被壓入和彈出的過程。在一定的容量之下，假如局部變量表等占用的內(nèi)存越小，則可被壓入的棧幀就越多，反之亦然。棧幀的內(nèi)存大小稱為寬度，棧幀的數(shù)量則稱為深度，兩者成反比。 本地辦法棧：線程私有，jvm為本地辦法(java native interface, c/c+實現(xiàn)的程序)所劃分的內(nèi)存區(qū)域，用于被線程調(diào)用諸如網(wǎng)絡(luò)通信、文件操作等辦法。 堆：全部線程分享，java運(yùn)行期間幾乎全部對象都存儲于此。堆內(nèi)存也會被細(xì)分為新生代、老生代等子堆。 辦法區(qū)：多個線程分享，存儲那些在類的加載階段(詳見下文)已經(jīng)被jvm加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器jit編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。java8中，改

7、區(qū)的持久代內(nèi)存改為元空間。 特殊地，java程序中線程的數(shù)量，受java虛擬機(jī)棧和堆影響較大，可以粗略地認(rèn)為：一個java進(jìn)程的內(nèi)存大小=堆內(nèi)存 + 線程數(shù)量 * 線程私有棧內(nèi)存。結(jié)合操作系統(tǒng)特性，可以明確一個計算線程數(shù)量的公式：線程數(shù)=(最大地址空間maxprocessmemory - jvm堆內(nèi)存 - 系統(tǒng)保留內(nèi)存reservedosmemory)/threadstacksize(xss) jvm的類加載過程 當(dāng)java源文件經(jīng)過javac編譯完成，生成類文件之后，首先會被類加載器即classloader加載。classloader的主要職責(zé)是加載編譯好的類文件，在對應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域中生成該類

8、的各個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。類的加載分為加載、銜接和初始化三個階段， 1. 加載：加載類的class文件 2. 銜接 2.1 驗證：確保class文件的正確性，如版本、魔術(shù)因子等 2.2 預(yù)備：為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并且初始化默認(rèn)值 2.3 解析：把類中的符號引用轉(zhuǎn)為挺直引用 3. 初始化：為類的靜態(tài)變量賦代碼編寫階段鎖賦的值 需要注重的是：類的加載實施的是懶加載，即用的時候才加載，并且在同一個運(yùn)行時包下，一個類只會被初始化一次。 類的完整的生命周期，除了類加載，還包括用法和卸載。 關(guān)于用法，jvm定義了6種主動用法類的場景，會導(dǎo)致類的加載和初始化 new對象；拜訪類的靜態(tài)變量(靜態(tài)常量不會！)；拜訪類

9、的靜態(tài)辦法；用法反射；初始化子類會初始化父類；啟動類 注重初始化一個類為元素的數(shù)組不會加載類。 類加載的終于產(chǎn)物，是堆內(nèi)存中的class對象。而對于同一個classloader，不管類被加載多少次，指向的都是同一個class對象 類被加載后在棧內(nèi)存中的分布狀況 java內(nèi)存模型 通過cpu緩存和jvm工作模式的介紹，是為了引入java內(nèi)存模型的概念。java內(nèi)存模型（java memory mode, jmm）定義了jvm如何與計算機(jī)的主存舉行工作，理解jmm對正確理解java多線程開發(fā)是非常重要的。jmm模型如下圖所示： java內(nèi)存模型的工作規(guī)律，與上面介紹到的cpu緩存全都性工作規(guī)律非常

10、相像，其關(guān)于多線程的工作要點(diǎn)如下： 1. 分享變量存儲于主內(nèi)存中，每個線程都可以拜訪。 2. 每個線程都有私有的工作內(nèi)存，或稱本地內(nèi)存。這只是個規(guī)律概念，其實質(zhì)是涵蓋了寄存器、緩存、編譯器優(yōu)化和硬件等。 3. 分享變量只以副本的形式，存儲在本地內(nèi)存中。 4. 線程不能挺直操作主內(nèi)存，惟獨(dú)操作了本地內(nèi)存中的副本，才干刷新到主內(nèi)存中。 5. 每個線程也不能操作其它線程的私有的本地內(nèi)存 java線程平安的實現(xiàn) java并發(fā)編程平安需要具備的三大特性：原子性、可見性和有序性。下面將介紹，基于jmm模型和java線程平安的實現(xiàn)方式，是如何確保三大特性的。 原子性 在java并發(fā)編程中，容易的讀取和賦值操

11、作是原子性的，但是多個原子操作并在一起就不是了，比如將一個變量賦值給另外一個變量的操作。 jmm只保證了容易讀取和賦值的原子性。因此，并發(fā)編程中需要用到synchronized實現(xiàn)同步，或者用法lock接口的實現(xiàn)類加鎖；對于基本數(shù)據(jù)類型如int的自增操作，也可以用法juc包下的java.util.concurrent.atomic.*包下的原子類型。而volatile修飾的變量，不具備原子性。 可見性 基于jmm模型，對于線程讀取分享變量：首次只要從主內(nèi)存讀取到工作內(nèi)存，以后都在工作內(nèi)存中讀取即可；對于修改分享變量，新值先更新在工作內(nèi)存中，再刷新到主存中。但什么時候刷新是不確定的。因此，jav

12、a并發(fā)編程中，要確保分享變量在多線程中同步更新，可以實行如下方式： 通過synchronized關(guān)鍵字同步，可以確保在鎖釋放之前，對變量的修改刷新到主內(nèi)存中； 通過lock接口實現(xiàn)類實現(xiàn)同步，同樣可以在鎖unlock之前，把修改刷新到主內(nèi)存中； 用法volatile關(guān)鍵字，當(dāng)某線程修改了工作內(nèi)存中的分享變量副本，會挺直刷新主存中的值，并且其它線程會立即收到本地內(nèi)存中分享變量副本失效的信息，從而準(zhǔn)時從主內(nèi)存中更新值。 有序性 在jmm模型中，為了充分利用硬件性能，編譯器和命令器有可能會對程序命令舉行重排序。單線程下，這不會有什么問題，但多線程下則可能帶來意想不到的情況。 關(guān)于并發(fā)編程的有序性，jmm基于一套原生happens-before原則，來確保了多線程下一定程度的有序性。詳細(xì)說來： 程序次序規(guī)章：即便發(fā)生了重排序，在一個線程內(nèi)終于的運(yùn)行結(jié)果會與程序編寫挨次的結(jié)果全都。 鎖定規(guī)章：先unlock再lock。即一個鎖是鎖定狀態(tài)，需要先解鎖才干再加鎖。 volatile規(guī)章：假如一個線程對volatile變量讀，另一個線程對該變量寫，那么寫操作一定發(fā)生在讀操作之前。 傳遞規(guī)章：假如操作a先于b，b先于c，那么a絕對先于