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深入淺出Java記憶體模型

2021-10-27 11:14:31 後端開發

面試官:我記得上一次已經問過了為什么要有Java記憶體模型

面試官:我記得你的最終答案是:Java為了屏蔽硬體和作業系統訪問記憶體的各種差異,提出了「Java記憶體模型」的規范,保證了Java程式在各種平臺下對記憶體的訪問都能得到一致效果

候選者:嗯,對的

面試官要不,你今天再來講講Java記憶體模型這里邊的內容唄?

候選者:嗯,在講之前還是得強調下:Java記憶體模型它是一種「規范」,Java虛擬機會實作這個規范,

候選者:Java記憶體模型主要的內容,我個人覺得有以下幾塊吧

候選者:1. Java記憶體模型的抽象結構

候選者:2. happen-before規則

候選者:3.對volatile記憶體語意的探討(這塊我后面再好好解釋)

面試官那要不你就從第一點開始唄?先聊下Java記憶體模型的抽象結構?

候選者:嗯,Java記憶體模型定義了:Java執行緒對記憶體資料進行互動的規范,

候選者:執行緒之間的「共享變數」存盤在「主記憶體」中,每個執行緒都有自己私有的「本地記憶體」,「本地記憶體」存盤了該執行緒以讀/寫共享變數的副本,

候選者:本地記憶體是Java記憶體模型的抽象概念,并不是真實存在的,

候選者:順便畫個圖吧,看完圖就懂了,

候選者:Java記憶體模型規定了:執行緒對變數的所有操作都必須在「本地記憶體」進行,「不能直接讀寫主記憶體」的變數

候選者:Java記憶體模型定義了8種操作來完成「變數如何從主記憶體到本地記憶體,以及變數如何從本地記憶體到主記憶體」

候選者:分別是read/load/use/assign/store/write/lock/unlock操作

候選者:看著8個操作很多,對變數的一次讀寫就涵蓋了這些操作了,我再畫個圖給你講講

候選者:懂了吧?無非就是讀寫用到了各個操作(:

面試官懂了,很簡單,接下來說什么是happen-before吧?

候選者:嗯,好的(:

候選者:按我的理解下,happen-before實際上也是一套「規則」,Java記憶體模型定義了這套規則,目的是為了闡述「操作之間」的記憶體「可見性」

候選者:從上次講述「指令重排」就提到了,在CPU和編譯器層面上都有指令重排的問題,

候選者:指令重排雖然是能提高運行的效率,但在并發編程中,我們在兼顧「效率」的前提下,還希望「程式結果」能由我們掌控的,

候選者:說白了就是:在某些重要的場景下,這一組操作都不能進行重排序,「前面一個操作的結果對后續操作必須是可見的」,

面試官:嗯...

候選者:于是,Java記憶體模型就提出了happen-before這套規則,規則總共有8條

候選者:比如傳遞性、volatile變數規則、程式順序規則、監視器鎖的規則...(具體看規則的含義就好了,這塊不難)

候選者:只要記住,有了happen-before這些規則,我們寫的代碼只要在這些規則下,前一個操作的結果對后續操作是可見的,是不會發生重排序的,

面試官:我明白你的意思了

面試官那最后說下volatile?

候選者:嗯,volatile是Java的一個關鍵字

候選者:為什么講Java記憶體模型往往就會講到volatile這個關鍵字呢,我覺得主要是它的特性:可見性和有序性(禁止重排序)

候選者:Java記憶體模型這個規范,很大程度下就是為了解決可見性和有序性的問題,

面試官那你來講講它的原理吧,volatile這個關鍵字是怎么做到可見性和有序性的

候選者:Java記憶體模型為了實作volatile有序性和可見性,定義了4種記憶體屏障的「規范」,分別是LoadLoad/LoadStore/StoreLoad/StoreStore

候選者:回到volatile上,說白了,就是在volatile「前后」加上「記憶體屏障」,使得編譯器和CPU無法進行重排序,致使有序,并且寫volatile變數對其他執行緒可見,

候選者:Java記憶體模型定義了規范,那Java虛擬機就得實作啊,是不是?

面試官:嗯...

候選者:之前看過Hotspot虛擬機的實作,在「匯編」層面上實際是通過Lock前綴指令來實作的,而不是各種fence指令(主要原因就是簡便,因為大部分平臺都支持lock指令,而fence指令是x86平臺的),

候選者:lock指令能保證:禁止CPU和編譯器的重排序(保證了有序性)、保證CPU寫核心的指令可以立即生效且其他核心的快取資料失效(保證了可見性),

面試官那你提到這了,我想問問volatile和MESI協議是啥關系?

候選者:它們沒有直接的關聯,

候選者:Java記憶體模型關注的是編程語言層面上,它是高維度的抽象,MESI是CPU快取一致性協議,不同的CPU架構都不一樣,可能有的CPU壓根就沒用MESI協議...

候選者:只不過MESI名聲大,大家就都拿他來舉例子了,而MESI可能只是在「特定的場景下」為實作volatile的可見性/有序性而使用到的一部分罷了(:

面試官:嗯...

候選者:為了讓Java程式員屏蔽上面這些底層知識,快速地入門使用volatile變數

候選者:Java記憶體模型的happen-before規則中就有對volatile變數規則的定義

候選者:這條規則的內容其實就是:對一個 volatile 變數的寫操作相對于后續對這個 volatile 變數的讀操作可見

候選者:它通過happen-before規則來規定:只要變數宣告了volatile 關鍵字,寫后再讀,讀必須可見寫的值,(可見性、有序性)

面試官:嗯...了解了

本文總結

  • 為什么存在Java記憶體模型:Java為了屏蔽硬體和作業系統訪問記憶體的各種差異,提出了「Java記憶體模型」的規范,保證了Java程式在各種平臺下對記憶體的訪問都能得到一致效果

  • Java記憶體模型抽象結構:執行緒之間的「共享變數」存盤在「主記憶體」中,每個執行緒都有自己私有的「本地記憶體」,「本地記憶體」存盤了該執行緒以讀/寫共享變數的副本,執行緒對變數的所有操作都必須在「本地記憶體」進行,而「不能直接讀寫主記憶體」的變數

  • happen-before規則:Java記憶體模型規定在某些場景下(一共8條),前面一個操作的結果對后續操作必須是可見的,這8條規則成為happen-before規則

  • volatile:volatile是Java的關鍵字,修飾的變數是可見性且有序的(不會被重排序),可見性由happen-before規則完成,有序性由Java記憶體模型定義的「記憶體屏障」完成,實際HotSpot虛擬機實作Java記憶體模型規范,匯編底層通過Lock指令來實作,

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