Java 内存模型（JMM）描述了(le／liǎo) JVM 如何使用計算機的(de)内存（RAM）。JVM 是(shì)一個(gè)完整計算機的(de)模型，因此該模型包含了(le／liǎo)内存模型的(de)設計 —— JMM。

如果要(yào / yāo)正确地(dì / de)設計并發程序，了(le／liǎo)解 JMM 非常重要(yào / yāo)。JMM 描述了(le／liǎo)不(bù)同線程間如何以(yǐ)及何時(shí)可以(yǐ)看到(dào)其它線程寫入共享變量的(de)值，以(yǐ)及如何在(zài)必要(yào / yāo)時(shí)同步訪問共享變量。

最初的(de) JMM 設計不(bù)充分，因此 JMM 在(zài) Java 1.5 進行了(le／liǎo)修訂。此版本的(de) JMM 仍在(zài) Java 8 中使用。

Java Memory Model 内部實現

JVM 内部使用的(de) JMM 将内存劃分爲(wéi / wèi)線程棧和(hé / huò)堆。下圖從邏輯角度說(shuō)明了(le／liǎo) JMM：

在(zài) JVM 中運行的(de)每個(gè)線程都有它自己的(de)線程棧，線程棧包含了(le／liǎo)線程調用了(le／liǎo)哪些方法以(yǐ)到(dào)達當前執行點的(de)信息，我們把它成爲(wéi / wèi)“調用棧（Call Stack）“。當線程執行其代碼時(shí)，調用棧會發生變化。

線程棧還包含了(le／liǎo)正在(zài)執行的(de)每個(gè)方法的(de)所有的(de)局部變量（調用棧上(shàng)的(de)所有方法）。一個(gè)線程隻能訪問它自己的(de)線程棧，由線程創建的(de)局部變量對于(yú)創建它的(de)線程以(yǐ)外的(de)所有其他(tā)線程都是(shì)不(bù)可見的(de)。即使兩個(gè)線程正在(zài)執行完全相同的(de)代碼，兩個(gè)線程仍将在(zài)各自的(de)線程棧中創建自己的(de)局部變量。因此，每個(gè)線程都有自己的(de)每個(gè)局部變量的(de)版本。

基本類型（boolean，byte，short，char，int，long，float，double）完全存儲在(zài)線程棧裏，因此對其他(tā)線程是(shì)不(bù)可見的(de)。一個(gè)線程可以(yǐ)将一個(gè)基本類型的(de)變量副本傳遞給另一個(gè)線程，但它不(bù)能共享原始局部變量本身。

堆包含了(le／liǎo) Java 應用程序中創建的(de)所有對象，不(bù)管對象是(shì)哪個(gè)線程創建的(de)，這(zhè)包括基本類型的(de)包裝版本（如 Byte，Integer，Long 等）。無論對象是(shì)創建成局部變量，還是(shì)作爲(wéi / wèi)另一個(gè)對象的(de)成員變量被創建，對象都存儲在(zài)堆中。

下圖說(shuō)明了(le／liǎo)調用棧和(hé / huò)局部變量存儲在(zài)線程棧中，而(ér)對象存儲在(zài)堆中。

局部變量如果是(shì)基本類型，這(zhè)種情況下，變量完全存儲在(zài)線程棧上(shàng)。

局部變量如果是(shì)對象的(de)引用，這(zhè)種情況下，引用（局部變量）存儲在(zài)線程棧上(shàng)，但對象本身存儲在(zài)堆上(shàng)。

對象中可能包含方法，而(ér)這(zhè)些方法中可能包含局部變量，這(zhè)種情況下，即使方法所屬的(de)對象存儲在(zài)堆上(shàng)，但這(zhè)些局部變量卻是(shì)存儲在(zài)線程棧上(shàng)的(de)。

對象的(de)成員變量與對象本身一起存儲在(zài)堆上(shàng)，當成員變量是(shì)基本類型以(yǐ)及是(shì)對象的(de)引用時(shí)都是(shì)如此。

靜态類型變量與類定義一起存儲在(zài)堆上(shàng)。

所有線程通過擁有對象引用去訪問堆中的(de)對象。當一個(gè)線程有權訪問一個(gè)對象時(shí)，它也(yě)能訪問該對象的(de)成員變量。如果兩個(gè)線程同一時(shí)間調用同一對象的(de)一個(gè)方法，它們都可以(yǐ)訪問該對象的(de)成員變量，但每個(gè)線程都有自己局部變量的(de)副本。

這(zhè)是(shì)一個(gè)說(shuō)明上(shàng)述要(yào / yāo)點的(de)圖表：

兩個(gè)線程各有一組局部變量，其中一個(gè)局部變量（Local Variable 2）指向堆中的(de)共享對象（Object 3）。兩個(gè)線程各自對同一各對象擁有不(bù)同的(de)引用，它們的(de)引用是(shì)局部變量，因此它們存儲在(zài)各自線程的(de)線程棧中。但是(shì)，這(zhè)兩個(gè)不(bù)同引用指向堆中的(de)同一個(gè)對象。

請注意，共享對象（Object 3）将 Object 2 和(hé / huò) Object 4 作爲(wéi / wèi)成員變量引用（如從 Object 3 到(dào) Object 2 和(hé / huò) Object 4 的(de)箭頭所示），通過對象 3 中的(de)這(zhè)些成員變量引用，兩個(gè)線程可以(yǐ)訪問對象 2 和(hé / huò) 對象 4。

上(shàng)圖還顯示了(le／liǎo)一個(gè)局部變量指向堆中的(de)兩個(gè)不(bù)同對象。這(zhè)種情況下，引用指向兩個(gè)不(bù)同的(de)對象（Object 1 和(hé / huò) Object 5），而(ér)不(bù)是(shì)同一個(gè)對象。理論上(shàng)，如果兩個(gè)線程都引用了(le／liǎo)兩個(gè)對象，那兩個(gè)線程都可以(yǐ)訪問對象 1 和(hé / huò) 對象 5。但在(zài)上(shàng)圖中，每個(gè)線程隻引用了(le／liǎo)兩個(gè)對象中的(de)一個(gè)。Java學習圈子(zǐ)

那麽，什麽樣的(de) Java 代碼可以(yǐ)導緻上(shàng)面的(de)内存圖？好吧，代碼就(jiù)如下面的(de)代碼一樣簡單：

如果兩個(gè)線程正在(zài)執行 run() 方法，則前面的(de)結果就(jiù)會出(chū)現。run() 方法會調用 methodOne()，而(ér) methodOne() 會調用 methodTwo()。

方法 methodOne() 中聲明了(le／liǎo)一個(gè)基本類型的(de)局部變量（localVariable1 類型 int）和(hé / huò)一個(gè)對象引用的(de)局部變量（localVariable2）。

每個(gè)執行 methodOne() 的(de)線程将在(zài)各自的(de)線程棧上(shàng)創建自己的(de) localVariable1 和(hé / huò) localVariable2 副本。localVariable 1 變量将完全分離，隻存在(zài)于(yú)每個(gè)線程的(de)線程棧中。一個(gè)線程無法看到(dào)另一個(gè)線程對其 localVariable 1 副本所做的(de)更改。

執行 methodOne() 的(de)每個(gè)線程還将創建它們自己的(de) localVariable2 副本。然而(ér)，localVariable 2 的(de)兩個(gè)不(bù)同副本最終都指向堆上(shàng)的(de)同一個(gè)對象。代碼将 localVariable 2 設置爲(wéi / wèi)指向靜态變量引用的(de)對象。靜态變量隻有一個(gè)副本，這(zhè)個(gè)副本存儲在(zài)堆上(shàng)。因此，localVariable 2 的(de)兩個(gè)副本最終都指向靜态變量所指向的(de) MySharedObject 的(de)同一個(gè)實例。MySharedObject 實例也(yě)存儲在(zài)堆中，它對應于(yú)上(shàng)圖中的(de)對象 3。Java學習圈子(zǐ)???????

注意 MySharedObject 類也(yě)包含兩個(gè)成員變量。成員變量本身同對象一起存儲在(zài)堆中。這(zhè)兩個(gè)成員變量指向另外兩個(gè) Integer 對象，這(zhè)些 Integer 對象對應于(yú)上(shàng)圖中的(de)對象 2和(hé / huò)對象 4。

還要(yào / yāo)注意 methodTwo() 創建的(de)一個(gè)名爲(wéi / wèi) localVariable 1 的(de)本地(dì / de)變量。這(zhè)個(gè)局部變量是(shì)一個(gè)指向 Integer 對象的(de)對象引用。該方法将 localVariable 1 引用設置爲(wéi / wèi)指向一個(gè)新的(de) Integer 實例。localVariable 1 引用将存儲在(zài)每個(gè)執行 methodTwo() 的(de)線程的(de)一個(gè)副本中。實例化的(de)兩個(gè) Integer 對象存儲在(zài)堆上(shàng)，但是(shì)由于(yú)方法每次執行都會創建一個(gè)新的(de) Integer 對象，因此執行該方法的(de)兩個(gè)線程将創建單獨的(de) Integer 實例。methodTwo() 中創建的(de) Integer 對象對應于(yú)上(shàng)圖中的(de)對象 1和(hé / huò)對象 5。還要(yào / yāo)注意類 MySharedObject 中的(de)兩個(gè)成員變量，它們的(de)類型是(shì) long，這(zhè)是(shì)一個(gè)基本類型。由于(yú)這(zhè)些變量是(shì)成員變量，所以(yǐ)它們仍然與對象一起存儲在(zài)堆中。隻有本地(dì / de)變量存儲在(zài)線程堆棧中。

硬件内存架構

現代硬件内存架構與 Java 内存模型略有不(bù)同。了(le／liǎo)解硬件内存架構也(yě)很重要(yào / yāo)，以(yǐ)了(le／liǎo)解 Java 内存模型如何與其一起工作。本節介紹了(le／liǎo)常見的(de)硬件内存架構，後面的(de)部分将介紹 Java 内存模型如何與其配合使用。

這(zhè)是(shì)現代計算機硬件架構的(de)簡化圖：

現代計算機通常有兩個(gè)或更多的(de) CPU，其中一些 CPU 也(yě)可能有多個(gè)内核。關鍵是(shì)，在(zài)具有2個(gè)或更多 CPU 的(de)現代計算機上(shàng)，可以(yǐ)同時(shí)運行多個(gè)線程。每個(gè) CPU 都能夠在(zài)任何給定時(shí)間運行一個(gè)線程。這(zhè)意味着如果您的(de) Java 應用程序是(shì)多線程的(de)，那麽每個(gè) CPU 可能同時(shí)（并發地(dì / de)）運行 Java 應用程序中的(de)一個(gè)線程。

每個(gè) CPU 包含一組寄存器，這(zhè)些寄存器本質上(shàng)是(shì)在(zài) CPU 内存中。CPU 在(zài)這(zhè)些寄存器上(shàng)執行操作的(de)速度要(yào / yāo)比在(zài)主内存中執行變量的(de)速度快得多。這(zhè)是(shì)因爲(wéi / wèi) CPU 訪問這(zhè)些寄存器的(de)速度要(yào / yāo)比訪問主内存快得多。

每個(gè) CPU 還可以(yǐ)有一個(gè) CPU 緩存内存層。事實上(shàng)，大(dà)多數現代 CPU 都有某種大(dà)小的(de)緩存内存層。CPU 訪問緩存内存的(de)速度比主内存快得多，但通常沒有訪問内部寄存器的(de)速度快。因此，CPU 高速緩存存儲器介于(yú)内部寄存器和(hé / huò)主存儲器的(de)速度之(zhī)間。某些 CPU 可能有多個(gè)緩存層（L1 和(hé / huò) L2），但要(yào / yāo)了(le／liǎo)解 Java 内存模型如何與内存交互，這(zhè)一點并不(bù)重要(yào / yāo)。重要(yào / yāo)的(de)是(shì)要(yào / yāo)知道(dào) CPU 可以(yǐ)有某種緩存存儲層。

計算機還包含一個(gè)主内存區域（RAM）。所有 CPU 都可以(yǐ)訪問主存，主内存區域通常比 CPU 的(de)緩存内存大(dà)得多。

通常，當 CPU 需要(yào / yāo)訪問主内存時(shí)，它會将部分主内存讀入 CPU 緩存。它甚至可以(yǐ)将緩存的(de)一部分讀入内部寄存器，然後對其執行操作。當 CPU 需要(yào / yāo)将結果寫回主内存時(shí)，它會将值從内部寄存器刷新到(dào)緩存内存，并在(zài)某個(gè)時(shí)候将值刷新回主内存。

當CPU需要(yào / yāo)在(zài)高速緩存中存儲其他(tā)内容時(shí)，通常會将存儲在(zài)高速緩存中的(de)值刷新回主内存。CPU 緩存可以(yǐ)一次将數據寫入一部分内存，并一次刷新一部分内存。它不(bù)必每次更新時(shí)都讀取/寫入完整的(de)緩存。通常，緩存是(shì)在(zài)稱爲(wéi / wèi)“緩存線（Cache Line）”的(de)較小内存塊中更新的(de)。可以(yǐ)将一條或多條高速緩存線讀入高速緩存内存，并将一條或多條高速緩存線再次刷新回主内存。

JMM 和(hé / huò)硬件内存結構之(zhī)間的(de)差别

如前所述，JMM 和(hé / huò)硬件内存結構是(shì)不(bù)同的(de)。硬件内存體系結構不(bù)區分線程棧和(hé / huò)堆。在(zài)硬件上(shàng)，線程棧和(hé / huò)堆都位于(yú)主内存中。線程棧和(hé / huò)堆的(de)一部分有時(shí)可能存在(zài)于(yú) CPU 高速緩存和(hé / huò)内部 CPU 寄存器中。如下圖所示:

當對象和(hé / huò)變量可以(yǐ)存儲在(zài)計算機的(de)不(bù)同内存區域時(shí)，可能會出(chū)現某些問題。主要(yào / yāo)有兩個(gè)問題：

• 線程更新（寫入）對共享變量的(de)可見性
• 讀取、檢查和(hé / huò)寫入共享變量時(shí)的(de)競争條件

這(zhè)兩個(gè)問題将在(zài)下面幾節中進行解釋。Java學習圈子(zǐ)???????

共享對象的(de)可見性

如果兩個(gè)或多個(gè)線程共享一個(gè)對象，而(ér)沒有正确使用 volatile 聲明或同步，那麽一個(gè)線程對共享對象的(de)更新可能對其他(tā)線程不(bù)可見。

假設共享對象最初存儲在(zài)主内存中。在(zài) CPU 1 上(shàng)運行的(de)線程然後将共享對象讀入它的(de) CPU 緩存。在(zài)這(zhè)裏，它對共享對象進行更改。隻要(yào / yāo)沒有将 CPU 緩存刷新回主内存，在(zài)其他(tā) CPU 上(shàng)運行的(de)線程就(jiù)不(bù)會看到(dào)共享對象的(de)更改版本。這(zhè)樣，每個(gè)線程都可能最終擁有自己的(de)共享對象副本，每個(gè)副本位于(yú)不(bù)同的(de) CPU緩 存中。

下圖說(shuō)明了(le／liǎo)大(dà)緻的(de)情況。在(zài)左 CPU 上(shàng)運行的(de)一個(gè)線程将共享對象複制到(dào)其 CPU 緩存中，并将其 count 變量更改爲(wéi / wèi)2。此更改對運行在(zài)正确 CPU 上(shàng)的(de)其他(tā)線程不(bù)可見，因爲(wéi / wèi)尚未将更新刷新回主内存。

要(yào / yāo)解決這(zhè)個(gè)問題，可以(yǐ)使用 Java 的(de) volatile 關鍵字。volatile 關鍵字可以(yǐ)确保直接從主内存讀取給定的(de)變量，并在(zài)更新時(shí)始終将其寫回主内存。

競态條件

如果兩個(gè)或多個(gè)線程共享一個(gè)對象，且多個(gè)線程更新該共享對象中的(de)變量，則可能出(chū)現競争條件。

假設線程 A 将共享對象的(de)變量計數讀入其 CPU 緩存。再想象一下，線程 B 執行相同的(de)操作，但是(shì)進入了(le／liǎo)不(bù)同的(de) CPU 緩存。現在(zài)線程 A 向 count 加一，線程 B 也(yě)這(zhè)樣做。現在(zài) var1 已經增加了(le／liǎo)兩次，每次在(zài)每個(gè) CPU 緩存中增加一次。

如果按順序執行這(zhè)些增量，變量計數将增加兩次，并将原始值 + 2 寫回主内存。

但是(shì)，這(zhè)兩個(gè)增量是(shì)同時(shí)執行的(de)，沒有适當的(de)同步。無論哪個(gè)線程 A 和(hé / huò)線程 B 将其更新版本的(de) count 寫回主内存，更新後的(de)值隻比原始值高1，盡管有兩個(gè)增量。

該圖說(shuō)明了(le／liǎo)上(shàng)述競态條件問題的(de)發生情況：

要(yào / yāo)解決這(zhè)個(gè)問題，可以(yǐ)使用 Java synchronized 塊。同步塊保證在(zài)任何給定時(shí)間隻有一個(gè)線程可以(yǐ)進入代碼的(de)給定臨界段。Synchronized 塊還保證在(zài) Synchronized 塊中訪問的(de)所有變量都将從主内存中讀入，當線程退出(chū) Synchronized 塊時(shí)，所有更新的(de)變量将再次刷新回主内存，而(ér)不(bù)管變量是(shì)否聲明爲(wéi / wèi) volatile。

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