Java内存储器模型2

Java内存模型2

　注意：如果在同一个线程里面通过方法调用去传一个对象的引用是绝对不会出现上边提及到的可见性问题的。JMM保证所有上边的规定以及关于内存可见性特性的描述——一个特殊的更新、一个特定字段的修改都是某个线程针对其他线程的一个“可见性”的概念，最终它发生的场所在内存模型中Java线程和线程之间，至于这个发生时间可以是一个任意长的时间，但是最终会发生，也就是说，Java内存模型中的可见性的特性主要是针对线程和线程之间使用内存的一种规则和约定，该约定由JMM定义。　　不仅仅如此，该模型还允许不同步的情况下可见性特性。比如针对一个线程提供一个对象或者字段访问域的原始值进行操作，而针对另外一个线程提供一个对象或者字段刷新过后的值进行操作。同样也有可能针对一个线程读取一个原始的值以及引用对象的对象内容，针对另外一个线程读取一个刷新过后的值或者刷新过后的引用。　　尽管如此，上边的可见性特性分析的一些特征在跨线程操作的时候是有可能失败的，而且不能够避免这些故障发生。这是一个不争的事实，使用同步多线程的代码并不能绝对保证线程安全的行为，只是允许某种规则对其操作进行一定的限制，但是在最新的JVM实现以及最新的Java平台中，即使是多个处理器，通过一些工具进行可见性的测试发现其实是很少发生故障的。跨线程共享CPU的共享缓存的使用，其缺陷就在于影响了编译器的优化操作，这也体现了强有力的缓存一致性使得硬件的价值有所提升，因为它们之间的关系在线程与线程之间的复杂度变得更高。这种方式使得可见度的自由测试显得更加不切实际，因为这些错误的发生极为罕见，或者说在平台上我们开发过程中根本碰不到。在并行程开发中，不使用同步导致失败的原因也不仅仅是对可见度的不良把握导致的，导致其程序失败的原因是多方面的，包括缓存一致性、内存一致性问题等。　　可排序性（Ordering）：　　可排序规则在线程与线程之间主要有下边两点：

• 从操作线程的角度看来，如果所有的指令执行都是按照普通顺序进行，那么对于一个顺序运行的程序而言，可排序性也是顺序的
• 从其他操作线程的角度看来，排序性如同在这个线程中运行在非同步方法中的一个“间谍”，所以任何事情都有可能发生。唯一有用的限制是同步方法和同步块的相对排序，就像操作volatile字段一样，总是保留下来使用　　【*：如何理解这里“间谍”的意思，可以这样理解，排序规则在本线程里面遵循了第一条法则，但是对其他线程而言，某个线程自身的排序特性可能使得它不定地访问执行线程的可见域，而使得该线程对本身在执行的线程产生一定的影响。举个例子，A线程需要做三件事情分别是A1、A2、A3，而B是另外一个线程具有操作B1、B2，如果把参考定位到B线程，那么对A线程而言，B的操作B1、B2有可能随时会访问到A的可见区域，比如A有一个可见区域a，A1就是把a修改称为1，但是B线程在A线程调用了A1过后，却访问了a并且使用B1或者B2操作使得a发生了改变，变成了2，那么当A按照排序性进行A2操作读取到a的值的时候，读取到的是2而不是1，这样就使得程序最初设计的时候A线程的初衷发生了改变，就是排序被打乱了，那么B线程对A线程而言，其身份就是“间谍”，而且需要注意到一点，B线程的这些操作不会和A之间存在等待关系，那么B线程的这些操作就是异步操作，所以针对执行线程A而言，B的身份就是“非同步方法中的‘间谍’。】　　同样的，这仅仅是一个最低限度的保障性质，在任何给定的程序或者平台，开发中有可能发现更加严格的排序，但是开发人员在设计程序的时候不能依赖这种排序，如果依赖它们会发现测试难度会成指数级递增，而且在复合规定的时候会因为不同的特性使得JVM的实现因为不符合设计初衷而失败。　　注意：第一点在JLS（Java Language Specification）的所有讨论中也是被采用的，例如算数表达式一般情况都是从上到下、从左到右的顺序，但是这一点需要理解的是，从其他操作线程的角度看来这一点又具有不确定性，对线程内部而言，其内存模型本身是存在排序性的。【*：这里讨论的排序是最底层的内存里面执行的时候的NativeCode的排序，不是说按照顺序执行的Java代码具有的有序性质，本文主要分析的是JVM的内存模型，所以希望读者明白这里指代的讨论单元是内存区。】　　iii.原始JMM缺陷：　　JMM最初设计的时候存在一定的缺陷，这种缺陷虽然现有的JVM平台已经修复，但是这里不得不提及，也是为了读者更加了解JMM的设计思路，这一个小节的概念可能会牵涉到很多更加深入的知识，如果读者不能读懂没有关系先看了文章后边的章节再返回来看也可以。　　1)问题1：不可变对象不是不可变的　　学过Java的朋友都应该知道Java中的不可变对象，这一点在本文最后讲解String类的时候也会提及，而JMM最初设计的时候，这个问题一直都存在，就是：不可变对象似乎可以改变它们的值（这种对象的不可变指通过使用final关键字来得到保证），（Publis Service Reminder：让一个对象的所有字段都为final并不一定使得这个对象不可变——所有类型还必须是原始类型而不能是对象的引用。而不可变对象被认为不要求同步的。但是，因为在将内存写方面的更改从一个线程传播到另外一个线程的时候存在潜在的延迟，这样就使得有可能存在一种竞态条件，即允许一个线程首先看到不可变对象的一个值，一段时间之后看到的是一个不同的值。这种情况以前怎么发生的呢？在JDK 1.4中的String实现里，这儿基本有三个重要的决定性字段：对字符数组的引用、长度和描述字符串的开始数组的偏移量。String就是以这样的方式在JDK 1.4中实现的，而不是只有字符数组，因此字符数组可以在多个String和StringBuffer对象之间共享，而不需要在每次创建一个String的时候都拷贝到一个新的字符数组里。假设有下边的代码：String?s1 =?"/usr/tmp";String?s2 = s1.substring(4);?// "/tmp"　　这种情况下，字符串s2将具有大小为4的长度和偏移量，但是它将和s1共享“/usr/tmp”里面的同一字符数组，在String构造函数运行之前，Object的构造函数将用它们默认的值初始化所有的字段，包括决定性的长度和偏移字段。当String构造函数运行的时候，字符串长度和偏移量被设置成所需要的值。但是在旧的内存模型中，因为缺乏同步，有可能另一个线程会临时地看到偏移量字段具有初始默认值0，而后又看到正确的值4，结果是s2的值从“/usr”变成了“/tmp”，这并不是我们真正的初衷，这个问题就是原始JMM的第一个缺陷所在，因为在原始JMM模型里面这是合理而且合法的，JDK 1.4以下的版本都允许这样做。　　2)问题2：重新排序的易失性和非易失性存储　　另一个主要领域是与volatile字段的内存操作重新排序有关，这个领域中现有的JMM引起了一些比较混乱的结果。现有的JMM表明易失性的读和写是直接和主存打交道的，这样避免了把值存储到寄存器或者绕过处理器特定的缓存，这使得多个线程一般能看见一个给定变量最新的值。可是，结果是这种volatile定义并没有最初想象中那样如愿以偿，并且导致了volatile的重大混乱。为了在缺乏同步的情况下提供较好的性能，编译器、运行时和缓存通常是允许进行内存的重新排序操作的，只要当前执行的线程分辨不出它们的区别。（这就是within-thread as-if-serial semantics[线程内似乎是串行]的解释）但是，易失性的读和写是完全跨线程安排的，编译器或缓存不能在彼此之间重新排序易失性的读和写。遗憾的是，通过参考普通变量的读写，JMM允许易失性的读和写被重排序，这样以为着开发人员不能使用易失性标志作为操作已经完成的标志。比如：Map configOptions;char[] configText;volatile boolean?initialized =?false;
  // 线程1configOptions =?new?HashMap();configText = readConfigFile(filename);processConfigOptions(configText,configOptions);initialized =?true;
  // 线程2while(!initialized)?? ?sleep();
  　　这里的思想是使用易失性变量initialized担任守卫来表明一套别的操作已经完成了，这是一个很好的思想，但是不能在JMM下工作，因为旧的JMM允许非易失性的写（比如写到configOptions字段，以及写到由configOptions引用Map的字段中）与易失性的写一起重新排序，因此另外一个线程可能会看到initialized为true，但是对于configOptions字段或它所引用的对象还没有一个一致的或者说当前的针对内存的视图变量，volatile的旧语义只承诺在读和写的变量的可见性，而不承诺其他变量，虽然这种方法更加有效的实现，但是结果会和我们设计之初大相径庭。
  2.堆和栈　　i.Java内存管理简介：　　内存管理在Java语言中是JVM自动操作的，当JVM发现某些对象不再需要的时候，就会对该对象占用的内存进行重分配（释放）操作，而且使得分配出来的内存能够提供给所需要的对象。在一些编程语言里面，内存管理是一个程序的职责，但是书写过C++的程序员很清楚，如果该程序需要自己来书写很有可能引起很严重的错误或者说不可预料的程序行为，最终大部分开发时间都花在了调试这种程序以及修复相关错误上。一般情况下在Java程序开发过程把手动内存管理称为显示内存管理，而显示内存管理经常发生的一个情况就是引用悬挂——也就是说有可能在重新分配过程释放掉了一个被某个对象引用正在使用的内存空间，释放掉该空间过后，该引用就处于悬挂状态。如果这个被悬挂引用指向的对象试图进行原来对象（因为这个时候该对象有可能已经不存在了）进行操作的时候，由于该对象本身的内存空间已经被手动释放掉了，这个结果是不可预知的。显示内存管理另外一个常见的情况是内存泄漏，当某些引用不再引用该内存对象的时候，而该对象原本占用的内存并没有被释放，这种情况简言为内存泄漏。比如，如果针对某个链表进行了内存分配，而因为手动分配不当，仅仅让引用指向了某个元素所处的内存空间，这样就使得其他链表中的元素不能再被引用而且使得这些元素所处的内存让应用程序处于不可达状态而且这些对象所占有的内存也不能够被再使用，这个时候就发生了内存泄漏。而这种情况一旦在程序中发生，就会一直消耗系统的可用内存直到可用内存耗尽，而针对计算机而言内存泄漏的严重程度大了会使得本来正常运行的程序直接因为内存不足而中断，并不是Java程序里面出现Exception那么轻量级。　　在以前的编程过程中，手动内存管理带了计算机程序不可避免的错误，而且这种错误对计算机程序是毁灭性的，所以内存管理就成为了一个很重要的话题，但是针对大多数纯面向对象语言而言，比如Java，提供了语言本身具有的内存特性：自动化内存管理，这种语言提供了一个程序垃圾回收器（Garbage Collector[GC]），自动内存管理提供了一个抽象的接口以及更加可靠的代码使得内存能够在程序里面进行合理的分配。最常见的情况就是垃圾回收器避免了悬挂引用的问题，因为一旦这些对象没有被任何引用“可达”的时候，也就是这些对象在JVM的内存池里面成为了不可引用对象，该垃圾回收器会直接回收掉这些对象占用的内存，当然这些对象必须满足垃圾回收器回收的某些对象规则，而垃圾回收器在回收的时候会自动释放掉这些内存。不仅仅如此，垃圾回收器同样会解决内存泄漏问题。　　ii.详解堆和栈[图片以及部分内容来自《Inside JVM》]：　　1)通用简介　　[编译原理]学过编译原理的人都明白，程序运行时有三种内存分配策略：静态的、栈式的、堆式的　　静态存储——是指在编译时就能够确定每个数据目标在运行时的存储空间需求，因而在编译时就可以给它们分配固定的内存空间。这种分配策略要求程序代码中不允许有可变数据结构的存在，也不允许有嵌套或者递归的结构出现，因为它们都会导致编译程序无法计算准确的存储空间。　　栈式存储——该分配可成为动态存储分配，是由一个类似于堆栈的运行栈来实现的，和静态存储的分配方式相反，在栈式存储方案中，程序对数据区的需求在编译时是完全未知的，只有到了运行的时候才能知道，但是规定在运行中进入一个程序模块的时候，必须知道该程序模块所需要的数据区的大小才能分配其内存。和我们在数据结构中所熟知的栈一样，栈式存储分配按照先进后出的原则进行分配。　　堆式存储——堆式存储分配则专门负责在编译时或运行时模块入口处都无法确定存储要求的数据结构的内存分配，比如可变长度串和对象实例，堆由大片的可利用块或空闲块组成，堆中的内存可以按照任意顺序分配和释放。　　[C++语言]对比C++语言里面，程序占用的内存分为下边几个部分：　　[1]栈区（Stack）：由编译器自动分配释放，存放函数的参数值，局部变量的值等。其操作方式类似于数据结构中的栈。我们在程序中定义的局部变量就是存放在栈里，当局部变量的生命周期结束的时候，它所占的内存会被自动释放。　　[2]堆区（Heap）：一般由程序员分配和释放，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。我们在程序中使用c++中new或者c中的malloc申请的一块内存，就是在heap上申请的，在使用完毕后，是需要我们自己动手释放的，否则就会产生“内存泄露”的问题。　　[3]全局区（静态区）（Static）：全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后由系统释放。　　[4]文字常量区：常量字符串就是放在这里的，程序结束后由系统释放。在Java中对应有一个字符串常量池。　　[5]程序代码区：存放函数体的二进制代码　　2)JVM结构【堆、栈解析】：　　在Java虚拟机规范中，一个虚拟机实例的行为主要描述为：子系统、内存区域、数据类型和指令，这些组件在描述了抽象的JVM内部的一个抽象结构。与其说这些组成部分的目的是进行JVM内部结构的一种支配，更多的是提供一种严格定义实现的外部行为，该规范定义了这些抽象组成部分以及相互作用的任何Java虚拟机执行所需要的行为。下图描述了JVM内部的一个结构，其中主要包括主要的子系统、内存区域，如同以前在《Java基础知识》中描述的：Java虚拟机有一个类加载器作为JVM的子系统，类加载器针对Class进行检测以鉴定完全合格的类接口，而JVM内部也有一个执行引擎：　　当JVM运行一个程序的时候，它的内存需要用来存储很多内容，包括字节码、以及从类文件中提取出来的一些附加信息、以及程序中实例化的对象、方法参数、返回值、局部变量以及计算的中间结果。JVM的内存组织需要在不同的运行时数据区进行以上的几个操作，下边针对上图里面出现的几个运行时数据区进行详细解析：一些运行时数据区共享了所有应用程序线程和其他特有的单个线程，每个JVM实例有一个方法区和一个内存堆，这些是共同在虚拟机内运行的线程。在Java程序里面，每个新的线程启动过后，它就会被JVM在内部分配自己的PC寄存器[PC registers]（程序计数器器）和Java堆栈（Java stacks）。若该线程正在执行一个非本地Java方法，在PC寄存器的值指示下一条指令执行，该线程在Java内存栈中保存了非本地Java方法调用状态，其状态包括局部变量、被调用的参数、它的返回值、以及中间计算结果。而本地方法调用的状态则是存储在独立的本地方法内存栈里面（native method stacks），这种情况下使得这些本地方法和其他内存运行时数据区的内容尽可能保证和其他内存运行时数据区独立，而且该方法的调用更靠近操作系统，这些方法执行的字节码有可能根据操作系统环境的不同使得其编译出来的本地字节码的结构也有一定的差异。JVM中的内存栈是一个栈帧的组合，一个栈帧包含了某个Java方法调用的状态，当某个线程调用方法的时候，JVM就会将一个新的帧压入到Java内存栈，当方法调用完成过后，JVM将会从内存栈中移除该栈帧。JVM里面不存在一个可以存放中间计算数据结果值的寄存器，其内部指令集使用Java栈空间来存储中间计算的数据结果值，这种做法的设计是为了保持Java虚拟机的指令集紧凑，使得与寄存器原理能够紧密结合并且进行操作。