JVM原理（十九）：JVM虚拟机内存模型

news2025/2/23 1:12:06

1. 硬件的效率与一致性

数据不安全的原因：缓存一致性的问题

共享内存多核系统：在多路处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而他们又共享同一主内存。

线程先后执行结果不一致问题：除了增加高速缓存之外，为了使处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行(Out-Of-Order Execution)优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似，Java虛拟机的即时编译器中也有指令重排序( Instruction Reorder)优化。

2. Java内存模型

JDK5之后Java内存模型逐渐完善起来。

2.1. 主内存与工作内存

Java内存模型目的：定义程序中各种变量的访问规则，即关注在虚拟机中把变量(Java中的实例字段、静态字段、构成数组的对象元素)值存储到内存和从内存中取出变量(Java中的实例字段、静态字段、构成数组的对象元素)值这样的底层细节。

规定：

Java内存模型规定所有变量都存储在主内存中。
线程工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本(复制的是引用)。
线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的数据。
不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量。

Java内存与Java内存区域对应的关系：主内存对应于Java堆中的对象实例数据部分，工作内存对应于虚拟机栈中的部分区域。

2.2. 内存间交互操作

一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存这一类的实现细节。

注：Java虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的。

关于上面过程Java内存模型定义了以下8种操作：

lock(锁定)：作用于主内存的变量，他把一个变量标识为一条线程独占的状态。
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。
read (读取) :作用于主内存的变量，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。
load (载入) :作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
use(使用)：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虛拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
assign (赋值)：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收的值赋给工作内存的变量,每当虛拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
store (存储) :作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
write(写入)：作用于主内存的变量，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。

Java内存要求read和load或store和write必须按顺序执行。

同时Java内存规定在执行上述8种基本操作时必须满足以下规则：

不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
不允许一个线程无原因地(没有发生过任何assign操作)把数据从线程的工作内存同步回主内存中。
一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化(load或assign)的变量，换句话说就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行assign和load操作。
一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数unlock操作，变量才会被解锁。
如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作以初始化变量的值。
如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中(执行store、write操作)