聊聊我对Java内存模型的理解

xiaoxiao2024-07-24 22

所有的编程语言中都有内存模型这个概念，区别于微架构的内存模型，高级语言的内存模型包括了编译器和微架构两部分。我试图了解了Java、C#和Go语言的内存模型，发现内容基本大同小异，只是这些语言在具体实现的时候略有不同。

我们来看看Java内存模型吧，提到Java内存模型大家对这个图一定非常熟悉：

这张图告诉我们在线程运行的时候有一个内存专用的一小块内存，当Java程序会将变量同步到线程所在的内存，这时候会操作工作内存中的变量，而线程中变量的值何时同步回主内存是不可预期的。但同时Java内存模型又告诉我们通过使用关键词“synchronized”或“volatile”可以让 Java保证某些约束：

“volatile” — 保证读写的都是主内存的变量 “synchronized” — 保证在块开始时都同步主内存的值到工作内存，而块结束时将变量同步回主内存

通过以上描述我们就可以写出线程安全的Java程序，JDK也同时帮我们屏蔽了很多底层的东西。

但当你深入了解JVM的时候你会发现根本就没有工作内存这个东西，即内存中根本不会分配这么一块空间来运行你的Java程序，那么工作内存到底是什么东西呢？

这个问题也曾经困扰了我很长时间，因为我从来没有从JVM的实现中找到过和主内存同步的代码，因为当使用“volatile”时我仅仅能从源代码中调用了这行语句：

__asm__ volatile ("lock; addl $0,0(%%esp)" : : : "cc", "memory");

而这个指令在部分微架构上的主要功能就是防止指令重排，即这条指令前后的其它指令不会越过这个界限执行[注1]。

在现在的x86/x64微架构中读写内存的一致性都是通过MESI（Intel使用MESI-F，AMD使用MOESI）协议保证[注2]，MESI的状态转换图如下：

更详细的中文文档描述可以查看这个文档：http://blog.csdn.net/zhuliting/article/details/6210921

那Java内存模型中所说的工作内存是什么呢？我的理解是，首先“工作内存”是一个虚拟的概念，而承载这个概念主要是两部分：

1. 编译器 2. 微架构

作为编译器肯定是执行速度越快越好，所以作为编译器应当尽量减少从内存读数据，如果一个数据在寄存器中，那么直接使用寄存器中的值无疑性能是最高的，但同时这也会导致可能读不到最新的值，这里我们通过在Java语言中为变量加上“volatile”强制告诉编译器这个变量一定要从内存获得，这时编译器即不会做此类优化【案例见参考资料5（是一个.Net的例子）】。

对于微架构来说，在x86/x64下，CPU会在执行指令时做指令重排，即编译器生成的指令顺序和真正在CPU执行的顺序可能是不一致的。当我们用一个变量做信号的时候这种指令重排会带来悲剧，即如果有如下代码：

x = 0; y = 0; i = 0; j = 0; // thread A y = 1; x = 1; // thread B i = x; j = y;

上面的代码i和j的值会是多少呢？答案是：“00， 01， 10， 11”都是有可能的。对于这种情况，如果我们想得到确定的结果则需要通过“synchronized”（或者j.c.u.locks）来做线程间同步。

所以，我个人对Java内存模型的理解是：在编译器各种优化及多种类型的微架构平台上，Java语言规范制定者试图创建一个虚拟的概念并传递到 Java程序员，让他们能够在这个虚拟的概念上写出线程安全的程序来，而编译器实现者会根据Java语言规范中的各种约束在不同的平台上达到Java程序员所需要的线程安全这个目的。

注1：关于“lock”前缀的详细说明可以查看这个文档《Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual, Volume 3A: System Programming Guide, Part 1》的这个章节“CHAPTER 8 MULTIPLE-PROCESSOR MANAGEMENT”。注2：不同的微架构的内存模型都会有一些差别，本文中都是指x86/x64，如果想了解更多的微架构是如何处理的可以参考这个文档：http://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html

参考资料：

[1]. 《Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 3A: System Programming Guide, Part 1》[2]. http://en.wikipedia.org/wiki/MESI_protocol[3]. http://www.javaol.net/2010/10/java-memory-model/[4]. http://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html[5]. http://igoro.com/archive/volatile-keyword-in-c-memory-model-explained/

文章转自并发编程网-ifeve.com