[Java知识库]多线程如何共享变量 -- Java内存模型

目录

• 主内存和工作内存
• 为什么要分为主内存和工作内存
• Java 内存模型和运行时数据区的区别
• Java 内存模型中变量的定义
• 内存之间交互操作
• 参考

主内存和工作内存

Java 内存模型（JMM：Java Memory Model）规定了所有的变量都存储在主内存中。

每条线程还有自己的工作内存，工作内存中保存了该线程使用到的变量到主内存副本拷贝。

线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。

不同线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要在主内存来完成.

为什么要分为主内存和工作内存

类比“处理器、高速缓存、主内存间的关系”。

处理器的速度远高于主内存，高速缓存的速度接近处理器，所以加入高速缓存作为缓冲：

高速缓存从主内存中加载数据，处理器从高速缓存中取数据。处理器将运算结果写入高速缓存，高速缓存将数据同步回主内存。

高速缓存很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是引入了一个新的问题：缓存一致性。

在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而他们又共享同一主存，多个处理器运算任务都涉及同一块主存，需要一种协议可以保障数据的一致性。

Java 内存模型中的主内存可以类比为物理上的主内存，工作内存可以类比为高速缓存。

Java 内存模型和运行时数据区的区别

Java 内存模型：主内存、工作内存。

运行时数据区：堆、栈、方法区等。

两者不是同一个层次的对内存的划分，这两者基本上没有任何关系。

Java 内存模型是，线程读写内存中变量时需要遵守的规则。

运行时数据区是 ，JVM 在执行 Java 程序时，对“内存”这一资源进行分配、使用、回收的规则。

Java 内存模型中变量的定义

此处的变量与 Java 编程时所说的变量不一样，指包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局

部变量与方法参数，后者是线程私有的，不会被共享

内存之间交互操作

一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步到主内存之间的实现细节，Java 内存模型定义了以下八种操作来完成：

1. lock（锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为一条线程独占状 。
2. unlock（解锁）：作用于主内存变量，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。
3. read（读取）：作用于主内存变量，把一个变量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
4. 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。
5. use（使用）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
6. 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值给工作内存的变量，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。
7. store（存储）：作用于工作内存的变量，把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write的操作。
8. write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

• JMM 对交互指令的约束

  如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺寻地执行read和load操作，如果把变量从工作内存中同步

  回主内存中，就要按顺序地执行store和write操作。

  Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也就是read和load之间，store和write之

  间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，可能的顺序是read a，read b，load b， load a。

  Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

  • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现

  • 不允许一个线程丢弃它的最近assign的操作，即变量在工作内存中改变了之后必须同步到主内存中。

  • 不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从工作内存同步回主内存中。

  • 一个新的变量只能在主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。即

    就是对一个变量实施use和store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。

  • 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，lock和unlock必须成对出现

  • 如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前需要重新执行load或assign操作初始化变量的值

  • 如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行unlock操作；也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。

  • 对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中（执行store和write操作）。

参考

1. 《深入理解JVM虚拟机》第三版

2. 《Java 线程通信内存模型—主内存与工作内存》

   https://blog.csdn.net/y874961524/article/details/61617778?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522164765864416780357217966%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334…%2522%257D&request_id=164765864416780357217966&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2_allsobaiduend~default-2-61617778.142^v2es_vector_control_group,143^v4control&utm_term=%E4%B8%BB%E5%86%85%E5%AD%98%E5%92%8C%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E5%86%85%E5%AD%98&spm=1018.2226.3001.4187