jvm主内存与工作内存

一、jvm主内存与工作内存

    首先，JVM将内存组织为主内存和工作内存两个部分。

    主内存主要包括本地方法区和堆。每个线程都有一个工作内存，工作内存中主要包括两个部分，一个是属于该线程私有的栈和对主存部分变量拷贝的寄存器(包括程序计数器PC和cup工作的高速缓存区)。  

1.所有的变量都存储在主内存中(虚拟机内存的一部分)，对于所有线程都是共享的。

2.每条线程都有自己的工作内存，工作内存中保存的是主存中某些变量的拷贝，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变量。
3.线程之间无法直接访问对方的工作内存中的变量，线程间变量的传递均需要通过主内存来完成。

 

 

 

JVM规范定义了线程对内存间交互操作：

Lock(锁定)：作用于主内存中的变量，把一个变量标识为一条线程独占的状态。

Read(读取)：作用于主内存中的变量，把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中。

Load(加载)：作用于工作内存中的变量，把read操作从主内存中得到的变量的值放入工作内存的变量副本中。

Use(使用)：作用于工作内存中的变量，把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎。

Assign(赋值)：作用于工作内存中的变量，把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存中的变量。

Store(存储)：作用于工作内存中的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中。

Write(写入)：作用于主内存中的变量，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。

Unlock(解锁)：作用于主内存中的变量，把一个处于锁定状态的变量释放出来，之后可被其它线程锁定。

在将变量从主内存读取到工作内存中，必须顺序执行read、load；要将变量从工作内存同步回主内存中，必须顺序执行store、write。并且这8种操作必须遵循以下规则：

 

1. 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被读取了，但是工作内存不接受，或者从工作内存回写了但是主内存不接受。
2.  不允许一个线程丢弃它最近的一个assign操作，即变量在工作内存被更改后必须同步改更改回主内存。 
3. 工作内存中的变量在没有执行过assign操作时，不允许无意义的同步回主内存。 
4. 在执行use前必须已执行load，在执行store前必须已执行assign。 
5. 一个变量在同一时刻只允许一个线程对其执行lock操作，一个线程可以对同一个变量执行多次lock，但必须执行相同次数的unlock操作才可解锁。
6.  一个线程在lock一个变量的时候，将会清空工作内存中的此变量的值，执行引擎在use前必须重新read和load。
7.  线程不允许unlock其他线程的lock操作。并且unlock操作必须是在本线程的lock操作之后。 - 8，在执行unlock之前，必须首先执行了store和write操作。

 

下面看看上述内存模型与Java多线程之间的问题：

 

    java的多线程并发问题最终都会反映在java的内存模型上，所谓线程安全无非是要控制多个线程对某个资源的有序访问或修改。总结java的内存模型，要解决两个主要的问题：可见性和有序性。

     那么，何谓可见性？ 多个线程之间是不能互相传递数据通信的，它们之间的沟通只能通过共享变量来进行。Java内存模型（JMM）规定了jvm有主内存，主内存是多个线程共享的。当new一个对象的时候，也是被分配在主内存中，每个线程都有自己的工作内存，工作内存存储了主存的某些对象的副本，当然线程的工作内存大小是有限制的。当线程操作某个对象时，执行顺序如下：
(1) 从主存复制变量到当前工作内存 (read and load)
(2) 执行代码，改变共享变量值 (use and assign)
(3) 用工作内存数据刷新主存相关内容 (store and write)
当一个共享变量在多个线程的工作内存中都有副本时，如果一个线程修改了这个共享变量，那么其他线程应该能够看到这个被修改后的值，这就是多线程的可见性问题，java中volatile解决了可见性问题，接下来看一下volatile关键字：

volatile关键字 
       volatile是java提供的一种同步手段，只不过它是轻量级的同步，为什么这么说，因为volatile只能保证多线程的内存可见性，不能保证多线程的执行有序性。而最彻底的同步要保证有序性和可见性，例如synchronized。任何被volatile修饰的变量，都不拷贝副本到工作内存，任何修改都及时写在主存。因此对于Valatile修饰的变量的修改，所有线程马上就能看到，但是volatile不能保证对变量的修改是有序的。什么意思呢？假如有这样的代码：

Java代码  

1. public class Test{  
2.   public volatile int a;  
3.   public void add(int count){  
4.        a=a+count;  
5.   }  
6. }  

 

 

        当一个Test对象被多个线程共享，a的值不一定是正确的，因为a=a+count包含了好几步操作，而此时多个线程的执行是无序的，因为没有任何机制来保证多个线程的执行有序性和原子性。volatile存在的意义是，任何线程对a的修改，都会马上被其他线程读取到，因为直接操作主存，没有线程对工作内存和主存的同步。所以，volatile的使用场景是有限的，在有限的一些情形下可以使用 volatile 变量替代锁。要使 volatile 变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:
1)对变量的写操作不依赖于当前值。
2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中 
volatile只保证了可见性，所以Volatile适合直接赋值的场景，如

Java代码  

1. public class Test{  
2.   public volatile int a;  
3.   public void setA(int a){  
4.       this.a=a;  
5.   }  
6. }  

 
      在没有volatile声明时，多线程环境下，a的最终值不一定是正确的，因为this.a=a;涉及到给a赋值和将a同步回主存的步骤，这个顺序可能被打乱。如果用volatile声明了，读取主存副本到工作内存和同步a到主存的步骤，相当于是一个原子操作。所以简单来说，volatile适合这种场景：一个变量被多个线程共享，线程直接给这个变量赋值。这是一种很简单的同步场景，这时候使用volatile的开销将会非常小。

 

      那么继续说什么是序性呢？多个线程执行时，CPU对线程的调度是随机的，我们不知道当前程序被执行到哪步就切换到了下一个线程，线程在引用变量时不能直接从主内存中引用,如果线程工作内存中没有该变量,则会从主内存中拷贝一个副本到工作内存中,这个过程为read-load,完成后线程会引用该副本，线程不能直接为主存中中字段赋值，它会将值指定给工作内存中的变量副本(assign),完成后这个变量副本会同步到主存储区(store-write)，至于何时同步过去，根据JVM实现系统决定。

     这里看一个最经典的例子就是银行汇款问题，一个银行账户存款100，这时一个人从该账户取10元，同时另一个人向该账户汇10元，那么余额应该还是100。那么此时可能发生这种情况，A线程负责取款，B线程负责汇款，A从主内存读到100，B从主内存读到100，A执行减10操作，并将数据刷新到主内存，这时主内存数据100-10=90，而B内存执行加10操作，并将数据刷新到主内存，最后主内存数据100+10=110，显然这是一个严重的问题，我们要保证A线程和B线程有序执行，先取款后汇款或者先汇款后取款。

 

这里将一个非原子操作进行分解分步说明，假设有一个共享变量x，线程Thread1执行x=x+1。从上面的描述中可以知道x=x+1并不是一个原子操作，它的执行过程如下：
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x加1
3 将x加1后的值写回主存
如果另外一个线程b执行x=x-1，执行过程如下：
1 从主存中读取变量x副本到工作内存
2 给x减1
3 将x减1后的值写回主存
那么显然，最终的x的值是不可靠的。假设x现在为10，线程a加1，线程b减1，从表面上看，似乎最终x还是为10，但是多线
程情况下会有这种情况发生：
1：线程a从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x值为10
2：线程b从主存读取x副本到工作内存，工作内存中x值为10
3：线程a将工作内存中x加1，工作内存中x值为11
4：线程a将x提交主存中，主存中x为11
5：线程b将工作内存中x值减1，工作内存中x值为9
6：线程b将x提交到中主存中，主存中x为9
同样，x有可能为11，每次执行的结果都是不确定的，因为线程的执行顺序是不可预见的。这是java同步产生的根源，synchronized关键字保证了多个线程对于同步块是互斥的，synchronized作为一种同步手段，解决java多线程的执行有序性和内存可见性，而volatile关键字之解决多线程的内存可见性问题。

synchronized关键字 
        上面说了，java用synchronized关键字做为多线程并发环境的执行有序性的保证手段之一。当一段代码会修改共享变量，这一段代码成为互斥区或临界区，为了保证共享变量的正确性，synchronized标示了临界区。典型的用法如下：

Java代码  

1. synchronized(锁){  
2.      临界区代码  
3. }   

 

为了保证银行账户的安全，可以操作账户的方法如下：

Java代码  

1. public synchronized void add(int putMoney) {  
2.     money = money+ putMoney;  
3. }  
4. public synchronized void minus(int getMoney) {  
5.      money = money - getMoney;  
6. }  

 

刚才不是说了synchronized的用法是这样的吗：

Java代码  

1. synchronized(锁){  
2. 临界区代码  
3. }  

 

那么对于public synchronized void add(int putMoney)这种情况，意味着什么呢？其实这种情况，锁就是这个方法所在的对象。同理，如果方法是public  static synchronized void add(int putMoney)，那么锁就是这个方法所在的class。
        理论上，每个对象都可以做为锁，但一个对象做为锁时，应该被多个线程共享，这样才显得有意义，在并发环境下，一个没有共享的对象作为锁是没有意义的。假如有这样的代码：

Java代码  

1. public class ThreadTest{  
2.   public void test(){  
3.      Object lock=new Object();  
4.      synchronized (lock){  
5.         //do something  
6.      }  
7.   }  
8. }  

 

lock变量作为一个锁存在根本没有意义，因为它根本不是共享对象，每个线程进来都会执行Object lock=new Object();每个线程都有自己的lock，根本不存在锁竞争。
        每个锁对象都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列，就绪队列存储了将要获得锁的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程，当一个被线程被唤醒(notify)后，才会进入到就绪队列，等待cpu的调度。当一开始线程a第一次执行account.add方法时，jvm会检查锁对象account的就绪队列是否已经有线程在等待，如果有则表明account的锁已经被占用了，由于是第一次运行，account的就绪队列为空，所以线程a获得了锁，执行account.add方法。如果恰好在这个时候，线程b要执行account.minus方法，因为线程a已经获得了锁还没有释放，所以线程b要进入account的就绪队列，等到得到锁后才可以执行。
一个线程执行临界区代码过程如下：
1 获得同步锁
2 清空工作内存
3 从主存拷贝变量副本到工作内存
4 对这些变量计算
5 将变量从工作内存写回到主存
6 释放锁
可见，synchronized既保证了多线程的并发有序性，又保证了多线程的内存可见性。

来源：https://www.cnblogs.com/lixinjun8080/p/12655484.html