下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
JVM是安装在操作系统上的Java虚拟机，Java代码直接操作的对象就是JVM（而不是操作系统）。不论是哪种操作系统，只要安装了JVM就能屏蔽各自操作系统的差异性，从而以一种相同规范的“虚拟机”形式和Java字节码交互。因此Java就可以实现“一次编写，到处运行”的平台无关性。JVM所处的位置如图3—1所示。
图3—1 JVM位置
本小节将对JVM的内存区域与内存模型进行讲解，这些JVM的基础知识也是本书后续讲解高并发技术的理论基础。
JVM在运行时，会将其管理的内存区域划分为方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器等5个区域；前2个区域是所有线程都可以共享的区域，而后3个区域是各个线程私有的，如图3—2所示。
图3—2 JVM运行时的内存区域
JMM用于定义程序中变量的访问规则，即在JVM中如何将变量存储到内存，以及如何从内存中获取变量（此处的变量是指能被所有线程共享的变量，不含线程私有的局部变量和方法参数）。
与JVM内存区域不同，JMM是从另一个角度对内存进行划分，分为主内存和工作内存。
JMM规定所有的变量都存储在主内存中，每个线程还拥有自己独立的工作内存。主内存中的变量会通过复制的方式留给线程的工作内存一个副本，供各个线程独立使用。也就是说，线程对变量的所有读写操作都是在工作内存中进行的，工作内存中的副本变量会通过JMM与主内存中的原变量保持同步，如图3—3所示。
图3—3 线程的工作内存与主内存
除此以外，各个线程在运行期间必须遵循以下规定。
（1）只能访问自己工作内存中的变量。
（2）无法直接访问其他线程工作内存中的变量。
（3）可以通过主内存，间接访问其他线程工作内存中的变量。例如，假设线程B要访问线程A中的变量 a ，经历的大致步骤如下。
① 等待线程A将工作内存中变量 a 的副本更新到主内存中（Save）。
② 从主内存中，将更新后的变量 a 复制到线程B的工作内存中（Load），如图3—4所示。
图3—4 线程间访问变量的流程
实际上，除了上述步骤外，不同线程之间在进行数据交互时要完整地经历如图3—5所示的8个步骤：
①Lock：把主内存中的变量标识为一条线程独占状态；
②Read：把主内存中的变量读取到工作内存中；
③Load：将变量放入变量副本中；
④Use：把变量副本传递给线程使用；
⑤Assign：把线程正在使用的变量传递到工作内存中的变量副本中；
⑥Store：把工作内存中的变量副本传递到主内存中；
⑦Write：将变量副本作为一个变量放入主内存中；
⑧UnLock：解除线程的独占状态。
图3—5 线程间共享变量的完整步骤
JVM还要求以上8个步骤的操作都是原子性的，但是对于64位的数据类型却有着非原子性协议，JVM允许64位的long和double类型在执行Load、Store、Read和Write操作时，分成两次32位的原子性操作。这就意味着，多个线程共享一个long或double类型时，某一个线程理论上可能读到半个long或double值。如果真的遇到这种错误情况，读者可以使用volatile关键字来避免JVM的这种误操作。但从实际情况来看，目前主流的JVM都已经允许将64位的数据类型直接设置为原子性操作，一般情况下读者是不需要手动添加volatile的。
volatile是JVM提供的一个轻量级的同步机制，除了能够“避免JVM对long/double的误操作”外，还有以下两个作用。
前面讲过，不同线程如果要访问同一个变量，就必须借助主内存进行传递；但是如果给变量加了volatile关键字，则该变量的值就可以被所有线程即时感知（即某一个线程对volatile变量进行的任何操作，都会在第一时间同步到其他线程中）。
在理解“重排序”以前，有必要先了解一下“原子性”，因为重排序的排序对象必须是原子性的语句。但是在Java中，并不是所有语句都是原子性的。例如，如果已经存在变量num，那么对num的赋值语句num=10是一个原子性操作；但是如果不存在age，声明并赋值age的语句int age = 23就不是一个原子性操作，该语句会在最终执行时拆分成以下两条语句：
①int age；
②age=23。
重排序是指JVM为了提高执行效率，会对编写的代码进行一些额外的优化。例如，会对已经写完的代码指令，重新进行排序。重排序所实现的优化不会影响单线程程序执行结果，代码如下所示。
再次强调，重排序的原则是“不会影响单线程程序执行结果”。因此，本段代码的实际执行顺序可以是1、2、3、4，也可以是2、3、1、4，还可以是2、1、3、4等，因为这几种可能的最终执行结果都是相同的。
更加细致地研究上述代码发现，由于第4行不是原子性操作，因此第4行可以拆为以下两条语句。
了解完原子性和重排序之后，再来看一个双重检查方式的懒汉式单例模式。
范例3-1 单例模式
【 源码： demo/ch03/Singleton.java】
上述代码的第8行也不是一个原子性操作，JVM会在执行时将这条语句大致拆分为以下3步。
（1）分配内存地址、内存空间。
（2）使用构造方法实例化对象。
（3）将Instance赋值为第1步分配好的内存地址。
由于重排序的存在，第8行的内部执行顺序可能是a、b、c，也可能是a、c、b；如果是后者，当某一个线程X正在执行第8行，具体是刚执行完c但还没执行b时（即Instance虽然已被赋了值、不再为null，但还没有实例化），另一个线程Y正好此时抢占了CPU并且执行到第5行，判断Instance不为null，因此线程Y会直接返回instance对象，但此Instance却是线程X还没有实例化的对象，所以后续在使用Instance时就会出错。
为了避免这种因为JVM重排序而造成的问题，我们就可以给Instance加上volatile关键字，如下所示。
这样一来，就算真正意义上实现了单例模式。
实际上，volatile是通过“内存屏障”来防止指令重排序的，具体的实现步骤如下：
①在volatile写操作前，插入一个StoreStore屏障；
②在volatile写操作后，插入一个StoreLoad屏障；
③在volatile读操作前，插入一个LoadLoad屏障；
④在volatile读操作后，插入一个LoadStore屏障。
此外，要特别注意的一点是，虽然volatile修饰的变量具有可见性，但是并不具备原子性，因此volatile不是线程安全的。要理解这点，就得明确区分“原子性”和“重排序”的概念：原子性是指某一条语句不可再拆分，而重排序是指某一条语句内部的多个指令的执行顺序。下面通过一个示例来说明volatile非线程安全。
范例3-2 volatile 非线程安全
【 源码： demo/ch03/TestVolatile_1.java】
当初始num=0时，创建了100个线程，并且每个线程都会执行20000次num++。因此如果volatile是线程安全的，那么最终应该打印2000000，但实际结果并非如此，运行结果如图3—6所示。
图3—6 非线程安全的运行结果
从运行结果可以发现，volatile并不能将所修饰的num设置为原子性操作（如num ++就不是原子性操作），这会造成num++被多个线程同时执行，最终导致出现漏加的线程不安全的情况（即最终的结果值远小于2000000）。
如果要将本程序改进为线程安全，可以使用java.util.concurrent.atomic包中提供的原子类型，代码如下。
范例3-3 atomic 原子性
【 源码： demo/ch03/TestVolatile_2.java】
运行结果如图3—7所示。
图3—7 原子性操作的运行结果
除了本例使用的AtomicInteger外，在java.util.concurrent.atomic包中还提供了形如“Atomic×××”的其他常见的原子性变量对象。
观察AtomicInteger的源代码，可以看到一个compareAndSet()方法，其源码如下所示。
【 源码： java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger】
此方法是实现原子性操作的关键，它实现了CAS算法，而CAS算法能够保证变量的原子性操作。