思考：Java内存模型和硬件内存模型

news2024/10/1 15:10:56

前言

前一阵在看volatile的原理，看到内存屏障和缓存一致性，发现再往底层挖就挖到了硬件和Java内存模型。这一块是自己似懂非懂的知识区，我一般称之为知识混沌区。因此整理这一篇文章。

什么是内存模型（Memory Model）呢？它是系统和程序员之间的规范，它规定了存储器访问的行为，并影响到了性能。并且，Memory Model有多层，处理器规定、编译器规定、高级语。对于高级语言来说，如Java内存模型，它通常需要支持跨平台，也就是说它会基于各种不同的内存模型，但是又要提供给程序员一个统一的内存模型，可以理解为一个适配器的角色。

这篇文字主要包含了三部分：

硬件内存模型
Java内存模型和运行时数据区
三者的关系

硬件内存模型

下图是2012 Sandy Bridge（一种Intel处理器）核心设计。图中有socket1和socket2，可以理解为了这台电脑中有两个插cpu的槽，每个槽中有一个多核（C1，C2...Cn）的cpu。对于CPU的内存模型可以大致按照如下进行分解：


寄存器	编译器会将本地变量和函数参数分配到这些寄存器上
内存排序缓冲（Memory Ordering Buffers）	这些缓冲用于记录等待缓存子系统时正在执行的操作
L1 缓存	空间最小，访问速度最快
L2缓存	要作用是作为L1和L3之间的高效内存访问队列。L2缓存同时包含数据和指令
L3缓存	在同插槽的所有核心都共享L3缓存。
主内存	在缓存完全没命中的情况下

简化之后如下图所示，计算机在高速的 CPU 和相对低速的存储设备（内存，RAM）之间使用高速缓存，作为内存和处理器之间的缓冲。将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速运行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中。

在多处理器的系统中(或者单处理器多核的系统)，每个处理器内核都有自己的高速缓存，它们有共享同一主内存(Main Memory---RAM)。

Java内存模型和运行时数据区

说完系统的内存模型，然后开始说一下Java的内存模型（Java Memory Model，简称 JMM）。

Java语言一大特性就是跨平台型。其背后的实现便是在Java 虚拟机规范中定义的Java 内存模型（Java Memory Model，简称 JMM）。

虚拟机通过内存模型，定义了将变量存储到内存和从内存中取出变量的底层细节（字节码指令转换是另一方面），屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果，不必因为不同平台上的物理机的内存模型的差异，对各平台定制化开发程序。

上面提到了两个重要的概念--内存和变量。

先说内存，Java内存模型中的内存分为两类：主内存(Main Memory)和工作内存(Working Memory，又称本地内存）。其详情如下：

主内存可以类比成物理硬件的主内存，但此处仅是虚拟机内存的部分。工作内存可以类比成处理器高速缓存

主内存是所有的线程共享，每个线程都有自己的工作内存，属于线程私有。

一个线程不能访问另一个线程的工作内存，线程之间需要通过主内存来实现线程间的通信；

线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有的操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存的变量；

如果想理解上面提到的变量(Variables)的提取和存储。那就需要继续看一下JVM另一个重要的知识点--运行时数据区。如下图所示，不同jdk版本的运行时数据区划分有所差异。但主要分为了五部分：方法区（8开始使用元数据），堆，栈，程序计数器，本地方法栈。细节就不展开讲。

内存模型中管理的变量(Variables)则主要指是堆中的数据，它包括了实例字段、静态字段和构成数值对象的元素，如数组等。但不包括Java方法中局部变量与方法参数，如果局部变量是一个 reference 类型，它引用的对象在 Java 堆中可被各个线程共享，但是 reference 本身在 Java 栈的局部变量表中。

总结一下：Java 运行时数据区和内存模型是不一样的东西，更确切的说应该是不是同一层次的东西。

内存模型：是定义了线程和主内存之间的抽象关系，更多的是定义规则
运行时数据区域：是指 JVM 运行时将数据分区域存储，强调对内存空间的划分。

硬件内存模型和Java内存模型关系

Java内存模型中的主内存和工作内存的区别在于线程调度和共享的区别，而不是物理层面的区别。因此硬是将Java内存模型和硬件内存模型进行映射没有意义。如果真的有关系，只能说工作内存更多的是CPU寄存器和缓存。当然，工作内存由于上下文切换等原因，也可能会写回RAM（可以理解为物理内存，严谨来说是物理虚拟内存）。

对于运行时数据区而言，有些是随着虚拟机启动而创建，虚拟机关闭而销毁。还有一部分是随着线程生命周期创建销毁的。

线程间共享的方法区和堆，是说它们会随着虚拟机启动而创建，随着虚拟机退出而销毁。而栈和程序计数器会随着线程开始和结束而创建和销毁。

正如下图所示，方法区和堆在RAM中，也可以在缓存中，这也是JVM创建时进行管理的内存空间。

以堆为例，由于对象实例的创建在JVM中非常频繁，一方面保证并发环境下从堆区中划分内存空间的线程安全，另一方面提升内存分配的吞吐量。对Eden区域继续进行划分，JVM为每个线程分配一个私有缓存区域--本地线程分配缓冲（(Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。而这个缓冲则缓存中，而不是RAM中

如前所述，Java内存模型和硬件内存架构是不同的。线程栈和堆的一部分有时可能存在于CPU高速缓存和内部CPU寄存器中。