Java并发（1）- 聊聊Java内存模型

引言

在计算机系统的发展过程中，由于CPU的运算速度和计算机存储速度之间巨大的差距。为了解决CPU的运算速度和计算机存储速度之间巨大的差距，设计人员在CPU和计算机存储之间加入了高速缓存来做为他们之间的桥梁，在运算时，先将数据拷贝到高速缓存中，计算完成后再将结果写入计算机存储，这样大大提高了计算效率，避免重复多次访问计算机存储造成的cpu资源浪费。
尽管这样，CPU还是存在很多空闲的时间段，为了压榨CPU的性能，多任务处理诞生了，同时多任务处理导致任务之间共享资源的争抢，从而引发了并发问题。
在Java应用程序中，为了更好的解决并发问题，就必须深入理解Java内存模型。Java内存模型是Java虚拟机非常重要的一部分，它用来指导Java虚拟机是如何与计算机硬件内存之间协同工作的。在了解Java内存模型之前，我们先来看看计算机硬件内存模型是怎么样的。

硬件内存模型

现代计算机通常有2个或以上的CPU，单个CPU可能有多个内核。每个CPU内核中都包含一组寄存器，CPU在寄存器中执行操作比在计算机主存储器中快的多。
同时每个CPU之上还存在高速缓存，但高速缓存的层级和位置是不固定的，现代计算机的缓存层级很多达到了三级，未来可能更多。缓存的位置也各有不同，有的集成了部分缓存到CPU中。 同样，缓存的读写速度也大大快于计算机主存储器，在寄存器和主存储器之间，这样的CPU--缓存--主存储的三层结构就构成了硬件内存模型。
CPU在程序的执行过程中，经常会频繁的调用相同的数据，比如在一个循环内调用了位于另外一个物理地址的函数，这个函数可能与当前指令的物理位置相距甚远，因为程序使用的物理内存并不是连续的，这就导致了需要花费很多不必要的时间在物理寻址上。但如果在CPU计算之前会将所需要用到的数据先读到缓存中，计算完成之后再一次性写入计算机主存储器，就可以避免频繁访问计算机主存储器造成的资源浪费。

Java内存模型

上面说了计算机的硬件内存模型，Java内存模型和硬件内存模型有很多类似的地方。由于存在不同的计算机操作系统类型和硬件类型，导致各种平台下物理内存模型的不一致。为了让Java上层开发有一个统一的内存访问操作，保证多线程对共享数据的读写一致性，JVM规范定义了Java内存模型（Java Memory Model JMM）。

JMM通过happens-before语义（篇幅有限，后面的文章再详细解说）定义了Java对数据的统一访问规则。这些数据主要包括实例字段，静态字段和构成数组的元素，但不包括局部变量、方法参数和异常处理参数，因为局部变量和方法参数是线程私有的，不存在数据竞争问题。
引用类型比较特殊，引用本身是线程私有的，但它引用的对象是可被共享的。
JMM还规定了所有的变量都存储在主内存中（Main Memory），同时每个线程有自己的本地内存（Local Meory,也叫工作内存），本地内存中保存了所需要用到的主内存数据的拷贝。线程对变量的读和写都在本地内存中进行。
是不是发现JMM和硬件内存模型存在很多相似之处？主内存对应计算机主存储，本地内存对应高速缓存。但要知道它们虽然可以类比，却并不是相同的东西。
本地内存仅仅是JMM的一个抽象概念，实际上JVM中并不存在这样一个区域来对应，这个区域在广义上可以包括缓存、寄存器以及其他的硬件和编译器优化等等。这句话可能听起来比较难懂，我们只需要知道线程对共享变量的操作并不会直接访问主内存，而是访问一个中间层，这个中间层包含了主内存中变量的拷贝，同时中间层的访问速度大大快于访问主内存的速度，在一定的操作之后将结果统一写回主内存，这样就大大提高了程序的性能。
同时也会产生另外一个问题，同一个共享变量在每一个线程之中都会有一份拷贝（对引用类型，并不是拷贝全部数据），产生的线程越多，缓存开销也就越大。

JVM内存模型

JVM内存模型定义的是线程堆栈和堆之间的内存划分，它和Java内存模型是有区别的，参照《深入理解Java虚拟机》中的解释：

这两者本没有关系。如果一定要勉强对应，那从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更低层次上说，主内存就是物理内存，而为了获取更好的执行速度，虚拟机（甚至是硬件系统本身的优化措施）可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中，因为运行时主要访问——读写的是工作内存。

所有的原始类型（boolean,byte,short,char,int,long,float,double）局部变量都存储在线程堆栈中，不对其他线程共享。堆中则包含了Java程序中创建的对象。
举个例子：

public class MemoryModel {
	
	public int i = 0;
	
	public void methodOne() {
		
		int localVarOne = 1;
		
		SharedObject localVarTwo = SharedObject.sharedObject;
		
		Integer localVarThree = new Integer(1);
	}
}

public class SharedObject {
	
	pubic static SharedObject sharedObject = new SharedObject();
	
	public int sharedVarOne = 1;
}

代码中局部变量localVarOne存储在线程堆栈中。局部变量localVarTwo的引用存储在线程堆栈中，但对象本身存储在堆上。局部变量localVarThree同localVarTwo一样，引用存储在线程堆栈中，但对象本身存储在堆上。不同的是多线程执行methodOne方法时，localVarTwo由于是静态类型，在堆中只有一份数据，而localVarThree在堆和堆栈中都有多份数据。局部变量对象的成员变量sharedVarOne也存储在堆上，无论sharedVarOne是基本类型还是引用类型都是如此。


参考资料：
《深入理解Java内存模型》
《深入理解Java虚拟机》
《Java并发编程的艺术》
http://tutorials.jenkov.com/java-concurrency/java-memory-model.html