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英雄联盟亚索天赋:求你了,再問你Java內存模型的時候別再給我講堆棧方法區了…

開發十年,就只剩下這套架構體系了??!

英雄联盟充值记录 www.frhrb.icu 最近,面試過很多Java中高級開發,問過很多次關于Java內存模型的知識,問完之后,很多人上來就開始回答:

Java內存模型由幾部分組成,堆、本地方法棧、虛擬機棧、方法區…

每一次我不想打斷他們的話,雖然我知道這又是一個誤會了我的問題的朋友。

其實,我想問的Java內存模型,是和并發編程有關的。而候選人給我回答的那叫JVM內存結構,完全是兩回事。

很多時候,在我沒有打斷他們的情況下,一部分人慢慢的講到了GC相關的知識。這種情況下,我只能硬著頭皮繼續問一些和JVM有關的知識。

但是,我的本意其實是想看一下他對Java并發有多少了解啊。

經常,我都在繼續追問了一些他們回答的”Java內存模型”相關的知識后,友善的提醒一句,其實我想問的Java內存模型并不是他回答的這個…

有的時候,我會進一步提醒一句:是和并發編程有關的,是和主內存以及線程工作內存有關的。。。

那么,本文就來簡單說一說,關于Java內存模型,到底應該如何回答這個面試題。

為什么會誤解

首先,我們先來分析一下問什么很多人,甚至是大多數人會答非所問呢?

我覺得主要有幾個原因:

1、Java內存模型,這個詞聽著太像是關于內存分布的知識了。聽上去和并發編程沒有半毛錢關系。

2、網上很多資料都是錯的。不信你去網上搜索一下”Java內存模型”,你會發現,很多人打著內存模型的標題,介紹了JVM內存結構的知識。

這里提一句,我嘗試著Google搜索了一下搜索”Java內存模型”,首頁展示結果如下:

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首頁排名靠前的5篇文章中,有1篇是錯的,介紹了JVM內存結構。

PS:值得慶幸的的是,首頁前5篇文章中,有兩篇是我寫的,至少我的這兩篇我敢確定是不具備任何誤導性的??!

3、還存在一種情況,雖然不多見,但是也有。那就是很多面試官自己也以為內存模型就是要介紹堆、棧、方法區這些知識。就導致有時候面試者不知道自己到底應該如何回答。

那么,到底什么是Java內存模型?關于這道面試題應該如何回答呢?

什么是內存模型

我曾經在《再有人問你Java內存模型是什么,就把這篇文章發給他》中詳細的介紹過Java內存模型的來龍去脈,這里再重新回顧一下。

Java內存模型是根據英文Java Memory Model(JMM)翻譯過來的。其實JMM并不像JVM內存結構一樣是真實存在的。他只是一個抽象的概念。

Java內存模型的相關知識在 JSR-133: Java Memory Model and Thread Specification 中描述的。JMM是和多線程相關的,他描述了一組規則或規范,這個規范定義了一個線程對共享變量的寫入時對另一個線程是可見的。

Java內存模型(Java Memory Model ,JMM)就是一種符合內存模型規范的,屏蔽了各種硬件和操作系統的訪問差異的,保證了Java程序在各種平臺下對內存的訪問都能得到一致效果的機制及規范。目的是解決由于多線程通過共享內存進行通信時,存在的原子性、可見性(緩存一致性)以及有序性問題。

那么,我們這里就先來說說什么是所謂的內存模型規范、這里提到的原子性、可見性以及有序性又是什么東西?

原子性

線程是CPU調度的基本單位。CPU有時間片的概念,會根據不同的調度算法進行線程調度。所以在多線程場景下,就會發生原子性問題。因為線程在執行一個讀改寫操作時,在執行完讀改之后,時間片耗完,就會被要求放棄CPU,并等待重新調度。這種情況下,讀改寫就不是一個原子操作。即存在原子性問題。

緩存一致性

在多核CPU,多線程的場景中,每個核都至少有一個L1 緩存。多個線程訪問進程中的某個共享內存,且這多個線程分別在不同的核心上執行,則每個核心都會在各自的caehe中保留一份共享內存的緩沖。由于多核是可以并行的,可能會出現多個線程同時寫各自的緩存的情況,而各自的cache之間的數據就有可能不同。

在CPU和主存之間增加緩存,在多線程場景下就可能存在緩存一致性問題,也就是說,在多核CPU中,每個核的自己的緩存中,關于同一個數據的緩存內容可能不一致。

有序性

除了引入了時間片以外,由于處理器優化和指令重排等,CPU還可能對輸入代碼進行亂序執行,比如load->add->save 有可能被優化成load->save->add 。這就是有序性問題。

多CPU多級緩存導致的一致性問題、CPU時間片機制導致的原子性問題、以及處理器優化和指令重排導致的有序性問題等,都硬件的不斷升級導致的。那么,有沒有什么機制可以很好的解決上面的這些問題呢?

最簡單直接的做法就是廢除處理器和處理器的優化技術、廢除CPU緩存,讓CPU直接和主存交互。但是,這么做雖然可以保證多線程下的并發問題。但是,這就有點因噎廢食了。

所以,為了保證并發編程中可以滿足原子性、可見性及有序性。有一個重要的概念,那就是——內存模型。

為了保證共享內存的正確性(可見性、有序性、原子性),內存模型定義了共享內存系統中多線程程序讀寫操作行為的規范。通過這些規則來規范對內存的讀寫操作,從而保證指令執行的正確性。它與處理器有關、與緩存有關、與并發有關、與編譯器也有關。他解決了CPU多級緩存、處理器優化、指令重排等導致的內存訪問問題,保證了并發場景下的一致性、原子性和有序性。

針對上面的這些問題,不同的操作系統都有不同的解決方案,而Java語言為了屏蔽掉底層的差異,定義了一套屬于Java語言的內存模型規范,即Java內存模型。

Java內存模型規定了所有的變量都存儲在主內存中,每條線程還有自己的工作內存,線程的工作內存中保存了該線程中是用到的變量的主內存副本拷貝,線程對變量的所有操作都必須在工作內存中進行,而不能直接讀寫主內存。不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內存中的變量,線程間變量的傳遞均需要自己的工作內存和主存之間進行數據同步進行。

而JMM就作用于工作內存和主存之間數據同步過程。他規定了如何做數據同步以及什么時候做數據同步。

?

Java內存模型的實現

了解Java多線程的朋友都知道,在Java中提供了一系列和并發處理相關的關鍵字,比如volatile、synchronized、final、concurren包等。其實這些就是Java內存模型封裝了底層的實現后提供給程序員使用的一些關鍵字。

在開發多線程的代碼的時候,我們可以直接使用synchronized等關鍵字來控制并發,從來就不需要關心底層的編譯器優化、緩存一致性等問題。所以,Java內存模型,除了定義了一套規范,還提供了一系列原語,封裝了底層實現后,供開發者直接使用。

本文并不準備把所有的關鍵字逐一介紹其用法,因為關于各個關鍵字的用法,網上有很多資料。讀者可以自行學習。本文還有一個重點要介紹的就是,我們前面提到,并發編程要解決原子性、有序性和一致性的問題,我們就再來看下,在Java中,分別使用什么方式來保證。

原子性

在Java中,為了保證原子性,提供了兩個高級的字節碼指令monitorenter和monitorexit。在synchronized的實現原理文章中,介紹過,這兩個字節碼,在Java中對應的關鍵字就是synchronized。

因此,在Java中可以使用synchronized來保證方法和代碼塊內的操作是原子性的。

可見性

Java內存模型是通過在變量修改后將新值同步回主內存,在變量讀取前從主內存刷新變量值的這種依賴主內存作為傳遞媒介的方式來實現的。

Java中的volatile關鍵字提供了一個功能,那就是被其修飾的變量在被修改后可以立即同步到主內存,被其修飾的變量在每次是用之前都從主內存刷新。因此,可以使用volatile來保證多線程操作時變量的可見性。

除了volatile,Java中的synchronized和final兩個關鍵字也可以實現可見性。只不過實現方式不同,這里不再展開了。

有序性

在Java中,可以使用synchronized和volatile來保證多線程之間操作的有序性。實現方式有所區別:

volatile關鍵字會禁止指令重排。synchronized關鍵字保證同一時刻只允許一條線程操作。

好了,這里簡單的介紹完了Java并發編程中解決原子性、可見性以及有序性可以使用的關鍵字。讀者可能發現了,好像synchronized關鍵字是萬能的,他可以同時滿足以上三種特性,這其實也是很多人濫用synchronized的原因。

但是synchronized是比較影響性能的,雖然編譯器提供了很多鎖優化技術,但是也不建議過度使用。

面試如何回答

前面我介紹完了一些和Java內存模型有關的基礎知識,只是基礎,并不是全部,因為隨便一個知識點還是都可以展開的,如volatile是如何實現可見性的?synchronized是如何實現有序性的?

但是,當面試官問你:能簡單介紹下你理解的內存模型嗎?

首先,先和面試官確認一下:您說的內存模型指的是JMM,也就是和并發編程有關的那一個吧?

在得到肯定答復后,再開始介紹(如果不是,那可能就要回答堆、棧、方法區哪些了….囧…):

Java內存模型,其實是保證了Java程序在各種平臺下對內存的訪問都能夠得到一致效果的機制及規范。目的是解決由于多線程通過共享內存進行通信時,存在的原子性、可見性(緩存一致性)以及有序性問題。

除此之外,Java內存模型還提供了一系列原語,封裝了底層實現后,供開發者直接使用。如我們常用的一些關鍵字:synchronized、volatile以及并發包等。

回答到這里就可以了,然后面試官可能會繼續追問,然后根據他的追問再繼續往下回答即可。

所以,當有人再問你Java內存模型的時候,不要一張嘴就直接回答堆棧、方法區甚至GC了,那樣顯得很不專業!

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評論 2

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  1. #1

    在回答JMM怎么保證多線程安全的定下的規則時,是不是可以提到happens-before規則?

    野原美伢1周前 (07-01)回復
    • 當然

      hollischuang1周前 (07-01)回復

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