英文原文：Java Memory Model
作者：Jakob Jenkov
譯者：張坤
原文地址：http://ifeve.com/java-memory-model-6/

Java內(nèi)存模型規(guī)范了Java虛擬機(jī)與計(jì)算機(jī)內(nèi)存是如何協(xié)同工作的。Java虛擬機(jī)是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)的一個(gè)模型，因此這個(gè)模型自然也包含一個(gè)內(nèi)存模型——又稱為Java內(nèi)存模型。

如果你想設(shè)計(jì)表現(xiàn)良好的并發(fā)程序，理解Java內(nèi)存模型是非常重要的。Java內(nèi)存模型規(guī)定了如何和何時(shí)可以看到由其他線程修改過(guò)后的共享變量的值，以及在必須時(shí)如何同步的訪問(wèn)共享變量。

原始的Java內(nèi)存模型存在一些不足，因此Java內(nèi)存模型在Java1.5時(shí)被重新修訂。這個(gè)版本的Java內(nèi)存模型在Java8中人在使用。

Java內(nèi)存模型內(nèi)部原理

Java內(nèi)存模型把Java虛擬機(jī)內(nèi)部劃分為線程棧和堆。這張圖演示了Java內(nèi)存模型的邏輯視圖。

Java Memory Model

每一個(gè)運(yùn)行在Java虛擬機(jī)里的線程都擁有自己的線程棧。這個(gè)線程棧包含了這個(gè)線程調(diào)用的方法當(dāng)前執(zhí)行點(diǎn)相關(guān)的信息。一個(gè)線程僅能訪問(wèn)自己的線程棧。一個(gè)線程創(chuàng)建的本地變量對(duì)其它線程不可見(jiàn)，僅自己可見(jiàn)。即使兩個(gè)線程執(zhí)行同樣的代碼，這兩個(gè)線程任然在在自己的線程棧中的代碼來(lái)創(chuàng)建本地變量。因此，每個(gè)線程擁有每個(gè)本地變量的獨(dú)有版本。

所有原始類型的本地變量都存放在線程棧上，因此對(duì)其它線程不可見(jiàn)。一個(gè)線程可能向另一個(gè)線程傳遞一個(gè)原始類型變量的拷貝，但是它不能共享這個(gè)原始類型變量自身。

堆上包含在Java程序中創(chuàng)建的所有對(duì)象，無(wú)論是哪一個(gè)對(duì)象創(chuàng)建的。這包括原始類型的對(duì)象版本。如果一個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建然后賦值給一個(gè)局部變量，或者用來(lái)作為另一個(gè)對(duì)象的成員變量，這個(gè)對(duì)象任然是存放在堆上。

下面這張圖演示了調(diào)用棧和本地變量存放在線程棧上，對(duì)象存放在堆上。

• 一個(gè)本地變量可能是原始類型，在這種情況下，它總是“呆在”線程棧上。
• 一個(gè)本地變量也可能是指向一個(gè)對(duì)象的一個(gè)引用。在這種情況下，引用（這個(gè)本地變量）存放在線程棧上，但是對(duì)象本身存放在堆上。
• 一個(gè)對(duì)象可能包含方法，這些方法可能包含本地變量。這些本地變量任然存放在線程棧上，即使這些方法所屬的對(duì)象存放在堆上。
• 一個(gè)對(duì)象的成員變量可能隨著這個(gè)對(duì)象自身存放在堆上。不管這個(gè)成員變量是原始類型還是引用類型。

靜態(tài)成員變量跟隨著類定義一起也存放在堆上。

存放在堆上的對(duì)象可以被所有持有對(duì)這個(gè)對(duì)象引用的線程訪問(wèn)。當(dāng)一個(gè)線程可以訪問(wèn)一個(gè)對(duì)象時(shí)，它也可以訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象的成員變量。如果兩個(gè)線程同時(shí)調(diào)用同一個(gè)對(duì)象上的同一個(gè)方法，它們將會(huì)都訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象的成員變量，但是每一個(gè)線程都擁有這個(gè)本地變量的私有拷貝。

下圖演示了上面提到的點(diǎn)：

兩個(gè)線程擁有一些列的本地變量。其中一個(gè)本地變量（Local Variable 2）執(zhí)行堆上的一個(gè)共享對(duì)象（Object 3）。這兩個(gè)線程分別擁有同一個(gè)對(duì)象的不同引用。這些引用都是本地變量，因此存放在各自線程的線程棧上。這兩個(gè)不同的引用指向堆上同一個(gè)對(duì)象。

注意，這個(gè)共享對(duì)象（Object 3）持有Object2和Object4一個(gè)引用作為其成員變量（如圖中Object3指向Object2和Object4的箭頭）。通過(guò)在Object3中這些成員變量引用，這兩個(gè)線程就可以訪問(wèn)Object2和Object4。

這張圖也展示了指向堆上兩個(gè)不同對(duì)象的一個(gè)本地變量。在這種情況下，指向兩個(gè)不同對(duì)象的引用不是同一個(gè)對(duì)象。理論上，兩個(gè)線程都可以訪問(wèn)Object1和Object5，如果兩個(gè)線程都擁有兩個(gè)對(duì)象的引用。但是在上圖中，每一個(gè)線程僅有一個(gè)引用指向兩個(gè)對(duì)象其中之一。

因此，什么類型的Java代碼會(huì)導(dǎo)致上面的內(nèi)存圖呢？如下所示：

public class MyRunnable implements Runnable() {

    public void run() {
        methodOne();
    }

    public void methodOne() {
        int localVariable1 = 45;

        MySharedObject localVariable2 =
            MySharedObject.sharedInstance;

        //... do more with local variables.

        methodTwo();
    }

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

        //... do more with local variable.
    }
}


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 member1 = 67890;
}

如果兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行run()方法，就會(huì)出現(xiàn)上圖所示的情景。run()方法調(diào)用methodOne()方法，methodOne()調(diào)用methodTwo()方法。

methodOne()聲明了一個(gè)原始類型的本地變量和一個(gè)引用類型的本地變量。

每個(gè)線程執(zhí)行methodOne()都會(huì)在它們對(duì)應(yīng)的線程棧上創(chuàng)建localVariable1和localVariable2的私有拷貝。localVariable1變量彼此完全獨(dú)立，僅“生活”在每個(gè)線程的線程棧上。一個(gè)線程看不到另一個(gè)線程對(duì)它的localVariable1私有拷貝做出的修改。

每個(gè)線程執(zhí)行methodOne()時(shí)也將會(huì)創(chuàng)建它們各自的localVariable2拷貝。然而，兩個(gè)localVariable2的不同拷貝都指向堆上的同一個(gè)對(duì)象。代碼中通過(guò)一個(gè)靜態(tài)變量設(shè)置localVariable2指向一個(gè)對(duì)象引用。僅存在一個(gè)靜態(tài)變量的一份拷貝，這份拷貝存放在堆上。因此，localVariable2的兩份拷貝都指向由MySharedObject指向的靜態(tài)變量的同一個(gè)實(shí)例。MySharedObject實(shí)例也存放在堆上。它對(duì)應(yīng)于上圖中的Object3。

注意，MySharedObject類也包含兩個(gè)成員變量。這些成員變量隨著這個(gè)對(duì)象存放在堆上。這兩個(gè)成員變量指向另外兩個(gè)Integer對(duì)象。這些Integer對(duì)象對(duì)應(yīng)于上圖中的Object2和Object4.

注意，methodTwo()創(chuàng)建一個(gè)名為localVariable的本地變量。這個(gè)成員變量是一個(gè)指向一個(gè)Integer對(duì)象的對(duì)象引用。這個(gè)方法設(shè)置localVariable1引用指向一個(gè)新的Integer實(shí)例。在執(zhí)行methodTwo方法時(shí)，localVariable1引用將會(huì)在每個(gè)線程中存放一份拷貝。這兩個(gè)Integer對(duì)象實(shí)例化將會(huì)被存儲(chǔ)堆上，但是每次執(zhí)行這個(gè)方法時(shí)，這個(gè)方法都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的Integer對(duì)象，兩個(gè)線程執(zhí)行這個(gè)方法將會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)不同的Integer實(shí)例。methodTwo方法創(chuàng)建的Integer對(duì)象對(duì)應(yīng)于上圖中的Object1和Object5。

還有一點(diǎn)，MySharedObject類中的兩個(gè)long類型的成員變量是原始類型的。因?yàn)?，這些變量是成員變量，所以它們?nèi)稳浑S著該對(duì)象存放在堆上，僅有本地變量存放在線程棧上。

硬件內(nèi)存架構(gòu)

現(xiàn)代硬件內(nèi)存模型與Java內(nèi)存模型有一些不同。理解內(nèi)存模型架構(gòu)以及Java內(nèi)存模型如何與它協(xié)同工作也是非常重要的。這部分描述了通用的硬件內(nèi)存架構(gòu)，下面的部分將會(huì)描述Java內(nèi)存是如何與它“聯(lián)手”工作的。

下面是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件架構(gòu)的簡(jiǎn)單圖示：

一個(gè)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通常由兩個(gè)或者多個(gè)CPU。其中一些CPU還有多核。從這一點(diǎn)可以看出，在一個(gè)有兩個(gè)或者多個(gè)CPU的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)線程是可能的。每個(gè)CPU在某一時(shí)刻運(yùn)行一個(gè)線程是沒(méi)有問(wèn)題的。這意味著，如果你的Java程序是多線程的，在你的Java程序中每個(gè)CPU上一個(gè)線程可能同時(shí)（并發(fā)）執(zhí)行。

每個(gè)CPU都包含一系列的寄存器，它們是CPU內(nèi)內(nèi)存的基礎(chǔ)。CPU在寄存器上執(zhí)行操作的速度遠(yuǎn)大于在主存上執(zhí)行的速度。這是因?yàn)镃PU訪問(wèn)寄存器的速度遠(yuǎn)大于主存。

每個(gè)CPU可能還有一個(gè)CPU緩存層。實(shí)際上，絕大多數(shù)的現(xiàn)代CPU都有一定大小的緩存層。CPU訪問(wèn)緩存層的速度快于訪問(wèn)主存的速度，但通常比訪問(wèn)內(nèi)部寄存器的速度還要慢一點(diǎn)。一些CPU還有多層緩存，但這些對(duì)理解Java內(nèi)存模型如何和內(nèi)存交互不是那么重要。只要知道CPU中可以有一個(gè)緩存層就可以了。

一個(gè)計(jì)算機(jī)還包含一個(gè)主存。所有的CPU都可以訪問(wèn)主存。主存通常比CPU中的緩存大得多。

通常情況下，當(dāng)一個(gè)CPU需要讀取主存時(shí)，它會(huì)將主存的部分讀到CPU緩存中。它甚至可能將緩存中的部分內(nèi)容讀到它的內(nèi)部寄存器中，然后在寄存器中執(zhí)行操作。當(dāng)CPU需要將結(jié)果寫回到主存中去時(shí)，它會(huì)將內(nèi)部寄存器的值刷新到緩存中，然后在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)將值刷新回主存。

當(dāng)CPU需要在緩存層存放一些東西的時(shí)候，存放在緩存中的內(nèi)容通常會(huì)被刷新回主存。CPU緩存可以在某一時(shí)刻將數(shù)據(jù)局部寫到它的內(nèi)存中，和在某一時(shí)刻局部刷新它的內(nèi)存。它不會(huì)再某一時(shí)刻讀/寫整個(gè)緩存。通常，在一個(gè)被稱作“cache lines”的更小的內(nèi)存塊中緩存被更新。一個(gè)或者多個(gè)緩存行可能被讀到緩存，一個(gè)或者多個(gè)緩存行可能再被刷新回主存。

Java內(nèi)存模型和硬件內(nèi)存架構(gòu)之間的橋接

上面已經(jīng)提到，Java內(nèi)存模型與硬件內(nèi)存架構(gòu)之間存在差異。硬件內(nèi)存架構(gòu)沒(méi)有區(qū)分線程棧和堆。對(duì)于硬件，所有的線程棧和堆都分布在主內(nèi)中。部分線程棧和堆可能有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)在CPU緩存中和CPU內(nèi)部的寄存器中。如下圖所示：

當(dāng)對(duì)象和變量被存放在計(jì)算機(jī)中各種不同的內(nèi)存區(qū)域中時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)一些具體的問(wèn)題。主要包括如下兩個(gè)方面：

• 線程對(duì)共享變量修改的可見(jiàn)性
• 當(dāng)讀，寫和檢查共享變量時(shí)出現(xiàn)race conditions

下面我們專門來(lái)解釋以下這兩個(gè)問(wèn)題。

共享對(duì)象可見(jiàn)性

如果兩個(gè)或者更多的線程在沒(méi)有正確的使用volatile聲明或者同步的情況下共享一個(gè)對(duì)象，一個(gè)線程更新這個(gè)共享對(duì)象可能對(duì)其它線程來(lái)說(shuō)是不接見(jiàn)的。

想象一下，共享對(duì)象被初始化在主存中。跑在CPU上的一個(gè)線程將這個(gè)共享對(duì)象讀到CPU緩存中。然后修改了這個(gè)對(duì)象。只要CPU緩存沒(méi)有被刷新會(huì)主存，對(duì)象修改后的版本對(duì)跑在其它CPU上的線程都是不可見(jiàn)的。這種方式可能導(dǎo)致每個(gè)線程擁有這個(gè)共享對(duì)象的私有拷貝，每個(gè)拷貝停留在不同的CPU緩存中。

下圖示意了這種情形。跑在左邊CPU的線程拷貝這個(gè)共享對(duì)象到它的CPU緩存中，然后將count變量的值修改為2。這個(gè)修改對(duì)跑在右邊CPU上的其它線程是不可見(jiàn)的，因?yàn)樾薷暮蟮?code>count的值還沒(méi)有被刷新回主存中去。

解決這個(gè)問(wèn)題你可以使用Java中的volatile關(guān)鍵字。volatile關(guān)鍵字可以保證直接從主存中讀取一個(gè)變量，如果這個(gè)變量被修改后，總是會(huì)被寫回到主存中去。

Race Conditions

如果兩個(gè)或者更多的線程共享一個(gè)對(duì)象，多個(gè)線程在這個(gè)共享對(duì)象上更新變量，就有可能發(fā)生race conditions。

想象一下，如果線程A讀一個(gè)共享對(duì)象的變量count到它的CPU緩存中。再想象一下，線程B也做了同樣的事情，但是往一個(gè)不同的CPU緩存中?，F(xiàn)在線程A將count加1，線程B也做了同樣的事情?，F(xiàn)在count已經(jīng)被增在了兩個(gè)，每個(gè)CPU緩存中一次。

如果這些增加操作被順序的執(zhí)行，變量count應(yīng)該被增加兩次，然后原值+2被寫回到主存中去。

然而，兩次增加都是在沒(méi)有適當(dāng)?shù)耐较虏l(fā)執(zhí)行的。無(wú)論是線程A還是線程B將count修改后的版本寫回到主存中取，修改后的值僅會(huì)被原值大1，盡管增加了兩次。

下圖演示了上面描述的情況：

解決這個(gè)問(wèn)題可以使用Java同步塊。一個(gè)同步塊可以保證在同一時(shí)刻僅有一個(gè)線程可以進(jìn)入代碼的臨界區(qū)。同步塊還可以保證代碼塊中所有被訪問(wèn)的變量將會(huì)從主存中讀入，當(dāng)線程退出同步代碼塊時(shí)，所有被更新的變量都會(huì)被刷新回主存中去，不管這個(gè)變量是否被聲明為volatile。