Java內(nèi)存模型展示了Java虛擬機是如何與計算機內(nèi)存交互的，解決多線程讀寫共享內(nèi)存時資源訪問的問題。

內(nèi)存模型

Java虛擬機中的內(nèi)存模型將線程棧與堆劃分開，下圖描述了Java內(nèi)存模型的邏輯圖。

每個線程都要自己的線程棧，棧中存儲著線程執(zhí)行到當前位置所調(diào)用的方法信息，線程執(zhí)行代碼時，線程棧會不斷執(zhí)行入棧和出棧操作。

線程棧中會存儲所有被調(diào)用的方法中定義的變量，并且自己訪問自己棧中的變量，別的線程不可見。即使兩個線程執(zhí)行相同的代碼，也會在線程自己的棧中重復(fù)創(chuàng)建變量。一個線程可能會傳遞變量副本給另一個線程，但不能共享變量本身。

在棧中變量存儲形式也有所不同。屬于基本變量類型（int，byte，long，boolean，char，double，float，short）的變量，會直接將變量值存儲在棧中，而其余類型的變量的值被存儲在堆中，線程棧中只保留指向堆中變量地址的指針。
堆中則存儲Java程序中創(chuàng)建的所有對象，不管是什么線程創(chuàng)建的。創(chuàng)建對象并將其分配給局部變量，或者將其創(chuàng)建為另一個對象的成員變量都沒有影響，該對象仍存儲在堆中。

值得注意的是，Java中的靜態(tài)類變量也會隨著類初始化而存儲在堆中。

有指向?qū)ο笾羔樀乃芯€程都可以訪問堆上的對象。當線程可以訪問對象時，它也可以訪問該對象的成員變量。如果兩個線程同時在同一個對象上調(diào)用一個方法，則它們都將有權(quán)訪問該對象的成員變量，但是每個線程將擁有自己的局部變量副本。

兩個線程有一組局部變量，指向堆上的共享對象。這兩個線程分別具有對同一對象的不同指針。它們的指針也是局部變量，因此存儲在每個線程的線程棧中（在每個線程上）。但是，兩個不同的指針指向堆上的同一對象。
下面的代碼塊就是上圖的一個實際例子。

public class MyRunnable implements Runnable() {

    public void run() {
        methodOne();
    }

    public void methodOne() {
        int localVariable1 = 45;
        MySharedObject localVariable2 = MySharedObject.sharedInstance;
        //...
        methodTwo();
    }

    public void methodTwo() {
        Integer localVariable1 = new Integer(99);
        //...
    }
}

public class MySharedObject {

    //static variable pointing to instance of MySharedObject
    public static final MySharedObject sharedInstance = new MySharedObject();

    //member variables pointing to two objects on the heap
    public Integer object2 = new Integer(22);
    public Integer object4 = new Integer(44);

    public long member1 = 12345;
    public long member2 = 67890;
}

硬件架構(gòu)

現(xiàn)代硬件的內(nèi)存架構(gòu)與Java內(nèi)存模型還是有些不同的，了解硬件架構(gòu)對理解Java內(nèi)存模型也有幫助。簡單的硬件架構(gòu)圖如下：

現(xiàn)代計算機一般是多核CPU，一般不止一個CPU，因此多個線程是可能在物理意義上并發(fā)運行的。這意味著，如果Java應(yīng)用程序是多線程的，則每個CPU可能在Java應(yīng)用程序中同時（并發(fā)）運行一個線程。

每個CPU包含一組寄存器，這些寄存器本質(zhì)上是CPU內(nèi)存儲器。CPU在這些寄存器上執(zhí)行操作的速度比對主存儲器中的變量執(zhí)行操作的速度快得多，這是因為CPU可以比訪問主存儲器更快地訪問這些寄存器。

每個CPU可能還具有一個CPU高速緩存。實際上，大多數(shù)現(xiàn)代CPU都有一定大小的高速緩存。CPU可以比其主存儲器更快地訪問其高速緩存，但是通常不如其訪問其內(nèi)部寄存器的速度快。因此，CPU高速緩存存儲器位于內(nèi)部寄存器和主存儲器之間的速度之間。某些CPU可能具有多個高速緩存層（L1和L2 Cache）。了解Java內(nèi)存模型如何與內(nèi)存交互并不是很重要，重要的是要知道CPU可以具有某種高速緩存層。

計算機還包含一個主存儲區(qū)（RAM）。所有CPU都可以訪問主存儲器。主存儲區(qū)通常比CPU的高速緩存大得多。

通常，當CPU需要訪問主內(nèi)存時，它將部分主內(nèi)存讀入其CPU緩存中。它甚至可以將緩存的一部分讀入其內(nèi)部寄存器，然后對其執(zhí)行操作。當CPU需要將結(jié)果寫回主存儲器時，它將把值從其內(nèi)部寄存器刷新到高速緩存，然后在某個時候?qū)⒅邓⑿禄刂鞔鎯ζ鳌?/p>

當CPU需要將其他內(nèi)容存儲在高速緩存中時，通常會將高速緩存中存儲的值刷新回主存儲器。CPU高速緩存可以一次將數(shù)據(jù)寫入其部分內(nèi)存，并一次刷新其部分內(nèi)存。它不必每次更新都讀取/寫入完整的緩存。通常，緩存在稱為“緩存行”的較小存儲塊中更新，可以將一個或多個高速緩存行讀入高速緩存存儲器，并且可以將一個或多個高速緩存行再次刷新回主存儲器。

Java內(nèi)存模型與硬件關(guān)聯(lián)

如前所述，Java內(nèi)存模型和硬件內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)是不同的，硬件內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)不能區(qū)分線程堆棧和堆。在硬件上，線程堆棧和堆都位于主內(nèi)存中。線程堆棧和堆的某些部分有時可能會出現(xiàn)在CPU緩存和內(nèi)部CPU寄存器中。下圖對此進行了說明：

當對象和變量可以存儲在計算機的各種不同存儲區(qū)域中時，可能會出現(xiàn)某些問題。 兩個主要問題是：

• 線程更新（寫入）到共享變量的可見性。
• 讀取，檢查和寫入共享變量時的競爭條件。

對象的可見性

如果兩個或多個線程共享一個對象，而沒有正確使用volatile關(guān)鍵字，則一個線程對共享對象進行的更新可能對其他線程不可見。

每個線程都可以擁有自己的共享庫副本，每個副本位于不同的CPU緩存中。想象一下，共享對象最初存儲在主存儲器中。然后，在CPU上運行的一個線程將共享對象讀入其CPU緩存并進行修改。只要未將CPU緩存刷新回主存儲器，在其他CPU上運行的線程就看不到共享對象的更改版本。

下圖說明了這種情況，在左CPU上運行的一個線程將共享對象復(fù)制到其CPU緩存中，并將其count變量更改為2。在右CPU上運行的其他線程看不到此更改，因為尚未將count更新寫回主內(nèi)存。

當然這個問題可以使用volatile關(guān)鍵字來解決。

競爭條件

如果兩個或多個線程共享一個對象，并且一個以上的線程更新該共享對象中的變量，則可能會發(fā)生競爭條件。

假如線程A將共享對象的變量count讀入其CPU緩存中，而線程B執(zhí)行同樣操作，但是它位于不同的CPU緩存中?，F(xiàn)在，線程A加一個要計數(shù)，線程B也執(zhí)行相同的操作?，F(xiàn)在count已增加兩次，在每個CPU高速緩存中增加一次。

如果這些增加是順序執(zhí)行的，則變量計數(shù)將增加兩次，并將原始值+2寫回到主存儲器中。

但是，這兩個增量是在沒有同步的情況下并發(fā)執(zhí)行的。不管線程A和B中哪個線程將其更新后的版本寫回主內(nèi)存，盡管有兩個增量，但更新后的值僅比原始值高1。

該圖說明了如上所述的競爭條件問題的發(fā)生：

這個問題可以使用synchronized關(guān)鍵字來解決。

總結(jié)

到此這篇關(guān)于Java內(nèi)存模型的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java內(nèi)存模型內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！