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
[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
相关资源:敏捷开发V1.0.pptx