java内存模型

一、Java内存模型引入

1、从堆栈说起

JVM内部使用的Java内存模型在线程栈和堆之间划分内存。此图从逻辑角度说明了Java内存模型：

2、堆栈里面放了什么?

栈
每个方法的所有局部变量。由线程创建的局部变量对于创建它的线程以外的所有其他线程是不可见的。即使两个线程正在执行完全相同的代码，两个线程仍将在每个自己的线程堆栈中创建该代码的局部变量。因此，每个线程都有自己的每个局部变量的版本。

堆
堆包含了在Java应用程序中创建的所有对象，无论创建该对象的线程是什么。这包括基本类型的包装类(例如Byte，Integer，Long等)。无论是创建对象并将其分配给局部变量，还是创建为另一个对象的成员变量，该对象仍然存储在堆上。

3、线程栈如何访问堆上对象?

所有具有对象引用的线程都可以访问堆上的对象。当一个线程有权访问一个对象时，它也可以访问该对象的成员变量。如果两个线程同时在同一个对象上调用一个方法，它们都可以访问该对象的成员变量，但每个线程都有自己的局部变量副本。

4、线程栈访问堆示例

那么，什么样的Java代码可以导致上面的内存图?

package com.baidu;

public class MyRunnable implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        methodOne();
    }

    public void methodOne(){
        int localVariable1 = 45;

        MySharedObject localVariable2 = MySharedObject.sharedInstance;

        methodTwo();
    }

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

    }

}
class MySharedObject{
    public static final MySharedObject sharedInstance = new MySharedObject();

    public Integer object2 = new Integer(22);
    public Integer object4 = new Integer(44);

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

如果两个线程正在执行run()方法，则前面显示的图表将是结果。 run()方法调用methodOne()，methodOne()调用methodTwo()。

methodOne()声明一个局部基本类型变量(类型为int的localVariable1)和一个局部变量，它是一个对象引用(localVariable2)。

执行methodOne()的每个线程将在各自的线程堆栈上创建自己的localVariable1和localVariable2副本。 localVariable1变量将完全相互分离，只存在于每个线程的线程堆栈中。一个线程无法看到另一个线程对其localVariable1副本所做的更改。

执行methodOne()的每个线程也将创建自己的localVariable2副本。但是，localVariable2的两个不同副本最终都指向堆上的同一个对象。代码将localVariable2设置为指向静态变量引用的对象。静态变量只有一个副本，此副本存储在堆上。因此，localVariable2的两个副本最终都指向静态变量指向的MySharedObject的同一个实例。 MySharedObject实例也存储在堆上。它对应于上图中的对象3。

注意MySharedObject类还包含两个成员变量。成员变量本身与对象一起存储在堆上。两个成员变量指向另外两个Integer对象。这些Integer对象对应于上图中的Object 2和Object 4。

另请注意methodTwo()如何创建名为localVariable1的局部变量。此局部变量是对Integer对象的对象引用。该方法将localVariable1引用设置为指向新的Integer实例。 localVariable1引用将存储在执行methodTwo()的每个线程的一个副本中。实例化的两个Integer对象将存储在堆上，但由于该方法每次执行该方法时都会创建一个新的Integer对象，因此执行此方法的两个线程将创建单独的Integer实例。在methodTwo()中创建的Integer对象对应于上图中的Object 1和Object 5。

另请注意类型为long的MySharedObject类中的两个成员变量，它们是基本类型。由于这些变量是成员变量，因此它们仍与对象一起存储在堆上。只有局部变量存储在线程堆栈中。

二、JMM与硬件内存结构关系

1、硬件内存结构简介

现代硬件内存架构与内部Java内存模型略有不同。

1、每个CPU基本上都包含一组在CPU内存中的寄存器。 CPU可以在这些寄存器上执行的操作比在主存储器中对变量执行的操作快得多。这是因为CPU可以比访问主存储器更快地访问这些寄存器。

2、每个CPU还可以具有CPU高速缓存存储器层。事实上，大多数现代CPU都有一些大小的缓存存储层。 CPU可以比主存储器更快地访问其高速缓存存储器，但通常不会像访问其内部寄存器那样快。因此，CPU高速缓存存储器介于内部寄存器和主存储器的速度之间。某些CPU可能有多个缓存层(级别1和级别2)，但要了解Java内存模型如何与内存交互，这一点并不重要。重要的是要知道CPU可以有某种缓存存储层。

3、计算机还包含主存储区(RAM)。所有CPU都可以访问主内存。主存储区通常比CPU的高速缓存存储器大得多。同时访问速度也就较慢.

通常，当CPU需要访问主存储器时，它会将部分主存储器读入其CPU缓存。它甚至可以将部分缓存读入其内部寄存器，然后对其执行操作。当CPU需要将结果写回主存储器时，它会将值从其内部寄存器刷新到高速缓冲存储器，并在某些时候将值刷新回主存储器。

2、JMM与硬件内存连接 – 引入

如前所述，Java内存模型和硬件内存架构是不同的。硬件内存架构不区分线程堆栈和堆。在硬件上，线程堆栈和堆都位于主存储器中。线程堆栈和堆的一部分有时可能存在于CPU高速缓存和内部CPU寄存器中。这在图中说明：

3、JMM与硬件内存连接 – 对象共享后的可见性

如果两个或多个线程共享一个对象，而没有正确使用volatile声明或同步，则一个线程对共享对象的更新可能对其他线程不可见。

想象一下，共享对象最初存储在主存储器中。然后，在CPU上运行的线程将共享对象读入其CPU缓存中。它在那里对共享对象进行了更改。只要CPU缓存尚未刷新回主内存，共享对象的更改版本对于在其他CPU上运行的线程是不可见的。这样，每个线程最终都可能拥有自己的共享对象副本，每个副本都位于不同的CPU缓存中。

下图描绘了该情况。在左CPU上运行的一个线程将共享对象复制到其CPU缓存中，并将其count变量更改为2.对于在右边的CPU上运行的其他线程，此更改不可见，因为计数更新尚未刷新回主内存中.

要解决此问题，您可以使用Java的volatile关键字。 volatile关键字可以确保直接从主内存读取给定变量，并在更新时始终写回主内存