Java内存模型

Zemax显微镜设计:从物镜到目镜的完整光学系统优化 本文详细介绍了使用Zemax进行显微镜光学系统设计的完整流程,从物镜到目镜的优化技巧。通过实战案例和关键参数设置,帮助读者掌握数值孔径、视场角等核心概念,实现高分辨率显微镜设计。文章特别强调了系统级优化和公差分析的重要性,为科研和工业检测提供可靠的光学解决方案。 阅读详情

一、主内存与工作内存
Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则,即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。此处的变量与Java编程中所说的变量有所区别,它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素,但不包括局部变量与方法参数,因为后者是线程私有的,不会被共享。 Java内存模型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,线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝,线程对变量的所有操作(读取、赋值等)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。
类比来看,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。

二、内存间交互操作
关于主内存与工作内存之间具体的交互协议,即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回主内存之类的实现细节;Java内存模型中定义了以下8中操作来完成,虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的
●lock:作用于主内存的变量,它把一个变量标识为一个线程独占的状态
●unlock: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: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工作内存中,以便随后的load动作使用
●load: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: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:作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接受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: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内存中,以便随后的write操作使用
●write: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
如果要把一个变量从主内存赋值到工作内存,那就要顺序地执行read和load操作,如果要把变量从工作内存同步回主内存,就要顺序地执行store和write操作。注意,Java内存模型只要求上述连个操作必须按顺序执行,而没有保证是连续执行。

也就是说,read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的,如对主内存
中的变量a、b进行访问时,一种可能出现的顺序是read a、read b、load b、load a

除此之外,Java内存模型还规定了在执行上述8中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,即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受,或者从工作内存发起了回写但主内存不接受的情况出现。
●不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作,即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存
●不允许一个线程无原因地把数据从线程的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的变量,换句话说,就是对一个变量实施use、store操作之前,必须先执行过了assign和load操作
●一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作,但lock操作可以被同一条线程重复执行多次,多次执行lock之后,只有执行相同次数的unlock操作,变量才会被解锁
●如果对一个变量执行lock操作,那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,那就不允许对它执行unlock操作,也不允许去unlock一个被其他线程锁定住的变量

三、对于volatile型变量的特殊规则
关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。 当一个变量被定义为volatile之后,它将具备两种特性:

特性一:保证此变量对所有线程的可见性

这里的可见性是指当一条线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程来说是可以立即得知的。
而普通变量不能做到这一点,普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。
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。

由于volatile变量只能保证可见性,在不符合以下两条规则的运算场景下,我们仍然要通过加锁(使用synchronized或者java.util.concurrent中的原子类)来保证原子性:
●运算结果并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
●变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束

特性二:禁止指令重排序优化

普通的变量仅仅会保证在变量方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取
到正确的结果,而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。
在某些情况下,volatile的同步机制的性能确实要优于锁(使用synchronized或
java.util.concurrent包里面的锁),但是优于虚拟机对锁实行的许多消除和优化,
使得我们很难量化的认为volatile就会比synchronized快多少。如果让volatile自己
与自己比较,那可以确定一个原则:volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎
没有什么差别,但是写擦操作可能会慢一些,因为它需要在本地代码中插入需要内存
屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。不过即便如此,大多数场景下volatile的总
开销仍然要比锁低,我们在volatile与锁之中选择的唯一依据仅仅是volatile的语义
是否能满足使用场景的需求;


四、原子性、可见性、有序性
介绍完Java内存模型的相关操作和规则,我们再整体回顾一下这个模型的特征。Java内存模型围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性、有序性这3个特征来建立的。
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、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。 如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证,那么就需要使用synchronized关键字

可见性
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。

Java内存模型是同构在变量修改后将新值同步回主内存,在变量读取前从主内存中刷
新变量值这种依赖主内存作为媒介的方式来实现可见性的,无论是普通变量还是
volatile变量都是如此;
普通变量与volatile变量的区别是:volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到
主内存,以及每次使用前立即从主内存刷新。因此,可以说volatile保证了多线程
操作时变量的可见性,而普通变量则不能保证这一点。
除了volatile之外,Java还有两个关键字能实现可见性,即synchronized和final
。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前,必须先把次变量同步回
主内存中(执行store、write操作)”这条规则获得的;而final关键字的可见性是指
被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成,并且构造器没有把this的引用传
递出去,那在其他线程中就能看见final字段的值了。



有序性

有序性可以总结为: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”,后半句是指“指令重排”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性,
volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义,而synchronized则是由“一个
变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的,这条规则
决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

总结: 介绍完上面3中重要的特性后,发现synchroized关键字在需要这3中特性的时候都可以作为一种解决方案,所以比较万能;但是由于万能,经常会被滥用,就会伴随着较大的性能影响;下面一张学习虚拟机锁优化会再详细介绍。

五、先行发生原则
下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系,这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在:
●程序次序规则:在一个线程内,按照程序代码顺序,书写在前面的操作先行发生与书写在后面的操作。准确的说,应该是控制流顺序而不是程序代码顺序,因为要考虑分支、循环等结构;
●管程锁定规则:一个unlock操作先行发生与后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的都是同一个锁,而“后面”是指时间上的先后顺序;
●volatile变量规则:对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作,这里的“后面”同样指时间上的先后顺序;
●线程启动规则:Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作;
●线程终止规则:线程中的所有操作都先行发生于此线程的终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行;
●线程中断规则:对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断时间的发生,可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生;
●对象终结规则:一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行于它的finalize()方法的开始;
●传递性:如果操作A先行发生于操作B,操作B先行发生于操作C;那么就可以得出操作A先行发生于操作C的结论;

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