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Learning JVM 08 内存模型和线程

分类: 文章 • 2025-07-22 18:00:40

什么是内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model,JMM）来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。
Learning JVM 08 内存模型和线程

Java内存模型规定：

  1. 所有的变量都存储在主内存中；
  2. 工作内存中保存被该线程使用到的变量的主内存拷贝副本；
  3. 线程不能直接读写主内存变量；
  4. 不同线程无法访问对方工作内存中的变量。

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，主内存就直接对应于物理硬件的内存，而为了获取更好的运行速度，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，因为程序运行时主要访问读写的是工作内存。

内存间交互动作

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

unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。

read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。

load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。

use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。

store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。

write（写入）：作用于主内存的变量，它把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。

volatile变量

volatile是Java虚拟机提供的最轻量级的同步工具。
具有两种特性：

  • 此变量对所有线程具有可见性；
    volatile变量在各个线程的工作内存中不存在一致性问题（在各个线程的工作内存中，volatile变量也可以存在不一致的情况，但由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看不到不一致的情况，因此可以认为不存在一致性问题），但是Java里面的运算并非原子操作，导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。
  • 禁止指令重排序。
    建立了一个内存屏障（Memory Barrier或Memory Fence，指重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置）
    volatile适用于下面两种场景：
  • 运算结果不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值；
  • 变量不需要和其他的状态变量共同参与不变约束。

一些名词

  • 原子性：由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write，我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的。
  • 可见性（Visibility）：可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。
  • 有序性（Ordering）：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics），后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

Java线程

实现线程主要有3种方式：

  1. 使用内核线程实现；
  2. 使用用户线程实现和；
  3. 使用用户线程加轻量级进程混合实现。
    线程调度：
  4. Java使用的线程调度方式就是抢占式调度；
  5. 线程优先级并不是太靠谱。
    线程状态：
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    新建（New）：创建后尚未启动的线程处于这种状态。

运行（Runable）：Runable包括了操作系统线程状态中的Running和Ready，也就是处于此状态的线程有可能正在执行，也有可能正在等待着CPU为它分配执行时间。

无限期等待（Waiting）：处于这种状态的线程不会被分配CPU执行时间，它们要等待被其他线程显式地唤醒。以下方法会让线程陷入无限期的等待状态：

●没有设置Timeout参数的Object.wait()方法。
●没有设置Timeout参数的Thread.join()方法。
●LockSupport.park()方法。

限期等待（Timed Waiting）：处于这种状态的线程也不会被分配CPU执行时间，不过无须等待被其他线程显式地唤醒，在一定时间之后它们会由系统自动唤醒。以下方法会让线程进入限期等待状态：

●Thread.sleep()方法。
●设置了Timeout参数的Object.wait()方法。
●设置了Timeout参数的Thread.join()方法。
●LockSupport.parkNanos()方法。
●LockSupport.parkUntil()方法。

阻塞（Blocked）：线程被阻塞了，“阻塞状态”与“等待状态”的区别是：“阻塞状态”在等待着获取到一个排他锁，这个事件将在另外一个线程放弃这个锁的时候发生；而“等待状态”则是在等待一段时间，或者唤醒动作的发生。在程序等待进入同步区域的时候，线程将进入这种状态。

结束（Terminated）：已终止线程的线程状态，线程已经结束执行。

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