Java內(nèi)存模型面試題

在并發(fā)編程中，多個(gè)線程之間采取什么機(jī)制進(jìn)行通信（信息交換），什么機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步？

在Java語言中，采用的是共享內(nèi)存模型來實(shí)現(xiàn)多線程之間的信息交換和數(shù)據(jù)同步的。

線程之間通過共享程序公共的狀態(tài)，通過讀-寫內(nèi)存中公共狀態(tài)的方式來進(jìn)行隱式的通信。同步指的是程序在控制多個(gè)線程之間執(zhí)行程序的相對順序的機(jī)制，在共享內(nèi)存模型中，同步是顯式的，程序員必須顯式指定某個(gè)方法/代碼塊需要在多線程之間互斥執(zhí)行。

在說Java內(nèi)存模型之前，我們先說一下Java的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，也就是運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)區(qū)域：

Java虛擬機(jī)在執(zhí)行Java程序的過程中，會把它管理的內(nèi)存劃分為幾個(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)域，這些區(qū)域都有各自的用途、創(chuàng)建時(shí)間、銷毀時(shí)間。

Java運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)分為下面幾個(gè)內(nèi)存區(qū)域：

PC寄存器/程序計(jì)數(shù)器：

嚴(yán)格來說是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于保存當(dāng)前正在執(zhí)行的程序的內(nèi)存地址，由于Java是支持多線程執(zhí)行的，所以程序執(zhí)行的軌跡不可能一直都是線性執(zhí)行。當(dāng)有多個(gè)線程交叉執(zhí)行時(shí)，被中斷的線程的程序當(dāng)前執(zhí)行到哪條內(nèi)存地址必然要保存下來，以便用于被中斷的線程恢復(fù)執(zhí)行時(shí)再按照被中斷時(shí)的指令地址繼續(xù)執(zhí)行下去。為了線程切換后能恢復(fù)到正確的執(zhí)行位置，每個(gè)線程都需要有一個(gè)獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器，各個(gè)線程之間計(jì)數(shù)器互不影響，獨(dú)立存儲，我們稱這類內(nèi)存區(qū)域?yàn)?ldquo;線程私有”的內(nèi)存,這在某種程度上有點(diǎn)類似于“ThreadLocal”，是線程安全的。

Java棧 Java Stack：

Java棧總是與線程關(guān)聯(lián)在一起的，每當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)線程，JVM就會為該線程創(chuàng)建對應(yīng)的Java棧，在這個(gè)Java棧中又會包含多個(gè)棧幀(Stack Frame)，這些棧幀是與每個(gè)方法關(guān)聯(lián)起來的，每運(yùn)行一個(gè)方法就創(chuàng)建一個(gè)棧幀，每個(gè)棧幀會含有一些局部變量、操作棧和方法返回值等信息。每當(dāng)一個(gè)方法執(zhí)行完成時(shí)，該棧幀就會彈出棧幀的元素作為這個(gè)方法的返回值，并且清除這個(gè)棧幀，Java棧的棧頂?shù)臈褪钱?dāng)前正在執(zhí)行的活動棧，也就是當(dāng)前正在執(zhí)行的方法，PC寄存器也會指向該地址。只有這個(gè)活動的棧幀的本地變量可以被操作棧使用，當(dāng)在這個(gè)棧幀中調(diào)用另外一個(gè)方法時(shí)，與之對應(yīng)的一個(gè)新的棧幀被創(chuàng)建，這個(gè)新創(chuàng)建的棧幀被放到Java棧的棧頂，變?yōu)楫?dāng)前的活動棧。同樣現(xiàn)在只有這個(gè)棧的本地變量才能被使用，當(dāng)這個(gè)棧幀中所有指令都完成時(shí)，這個(gè)棧幀被移除Java棧，剛才的那個(gè)棧幀變?yōu)榛顒訔懊鏃姆祷刂底優(yōu)檫@個(gè)棧幀的操作棧的一個(gè)操作數(shù)。

由于Java棧是與線程對應(yīng)起來的，Java棧數(shù)據(jù)不是線程共有的，所以不需要關(guān)心其數(shù)據(jù)一致性，也不會存在同步鎖的問題。

在Java虛擬機(jī)規(guī)范中，對這個(gè)區(qū)域規(guī)定了兩種異常狀況：如果線程請求的棧深度大于虛擬機(jī)所允許的深度，將拋出StackOverflowError異常；如果虛擬機(jī)可以動態(tài)擴(kuò)展，如果擴(kuò)展時(shí)無法申請到足夠的內(nèi)存，就會拋出OutOfMemoryError異常。在Hot Spot虛擬機(jī)中，可以使用-Xss參數(shù)來設(shè)置棧的大小。棧的大小直接決定了函數(shù)調(diào)用的可達(dá)深度。

堆 Heap:

堆是JVM所管理的內(nèi)存中國最大的一塊，是被所有Java線程鎖共享的，不是線程安全的，在JVM啟動時(shí)創(chuàng)建。堆是存儲Java對象的地方，這一點(diǎn)Java虛擬機(jī)規(guī)范中描述是：所有的對象實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配。Java堆是GC管理的主要區(qū)域，從內(nèi)存回收的角度來看，由于現(xiàn)在GC基本都采用分代收集算法，所以Java堆還可以細(xì)分為：新生代和老年代；新生代再細(xì)致一點(diǎn)有Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等。

方法區(qū)Method Area:

方法區(qū)存放了要加載的類的信息（名稱、修飾符等）、類中的靜態(tài)常量、類中定義為final類型的常量、類中的Field信息、類中的方法信息，當(dāng)在程序中通過Class對象的getName.isInterface等方法來獲取信息時(shí)，這些數(shù)據(jù)都來源于方法區(qū)。方法區(qū)是被Java線程鎖共享的，不像Java堆中其他部分一樣會頻繁被GC回收，它存儲的信息相對比較穩(wěn)定，在一定條件下會被GC，當(dāng)方法區(qū)要使用的內(nèi)存超過其允許的大小時(shí)，會拋出OutOfMemory的錯(cuò)誤信息。方法區(qū)也是堆中的一部分，就是我們通常所說的Java堆中的永久區(qū) Permanet Generation，大小可以通過參數(shù)來設(shè)置,可以通過-XX:PermSize指定初始值，-XX:MaxPermSize指定最大值。

常量池Constant Pool:

常量池本身是方法區(qū)中的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。常量池中存儲了如字符串、final變量值、類名和方法名常量。常量池在編譯期間就被確定，并保存在已編譯的.class文件中。一般分為兩類：字面量和應(yīng)用量。字面量就是字符串、final變量等。類名和方法名屬于引用量。引用量最常見的是在調(diào)用方法的時(shí)候，根據(jù)方法名找到方法的引用，并以此定為到函數(shù)體進(jìn)行函數(shù)代碼的執(zhí)行。引用量包含：類和接口的權(quán)限定名、字段的名稱和描述符，方法的名稱和描述符。

本地方法棧Native Method Stack:

本地方法棧和Java棧所發(fā)揮的作用非常相似，區(qū)別不過是Java棧為JVM執(zhí)行Java方法服務(wù)，而本地方法棧為JVM執(zhí)行Native方法服務(wù)。本地方法棧也會拋出StackOverflowError和OutOfMemoryError異常。

主內(nèi)存和工作內(nèi)存：

Java內(nèi)存模型的主要目標(biāo)是定義程序中各個(gè)變量的訪問規(guī)則，即在JVM中將變量存儲到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)。此處的變量與Java編程里面的變量有所不同步，它包含了實(shí)例字段、靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對象的元素，但不包含局部變量和方法參數(shù)，因?yàn)楹笳呤蔷€程私有的，不會共享，當(dāng)然不存在數(shù)據(jù)競爭問題（如果局部變量是一個(gè)reference引用類型，它引用的對象在Java堆中可被各個(gè)線程共享，但是reference引用本身在Java棧的局部變量表中，是線程私有的）。為了獲得較高的執(zhí)行效能，Java內(nèi)存模型并沒有限制執(zhí)行引起使用處理器的特定寄存器或者緩存來和主內(nèi)存進(jìn)行交互，也沒有限制即時(shí)編譯器進(jìn)行調(diào)整代碼執(zhí)行順序這類優(yōu)化措施。

JMM規(guī)定了所有的變量都存儲在主內(nèi)存（Main Memory）中。每個(gè)線程還有自己的工作內(nèi)存（Working Memory）,線程的工作內(nèi)存中保存了該線程使用到的變量的主內(nèi)存的副本拷貝，線程對變量的所有操作（讀取、賦值等）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量（volatile變量仍然有工作內(nèi)存的拷貝，但是由于它特殊的操作順序性規(guī)定，所以看起來如同直接在主內(nèi)存中讀寫訪問一般）。不同的線程之間也無法直接訪問對方工作內(nèi)存中的變量，線程之間值的傳遞都需要通過主內(nèi)存來完成。

線程1和線程2要想進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換一般要經(jīng)歷下面的步驟：

1.線程1把工作內(nèi)存1中的更新過的共享變量刷新到主內(nèi)存中去。

2.線程2到主內(nèi)存中去讀取線程1刷新過的共享變量，然后copy一份到工作內(nèi)存2中去。

Java內(nèi)存模型是圍繞著并發(fā)編程中原子性、可見性、有序性這三個(gè)特征來建立的，那我們依次看一下這三個(gè)特征：

原子性（Atomicity）：一個(gè)操作不能被打斷，要么全部執(zhí)行完畢，要么不執(zhí)行。在這點(diǎn)上有點(diǎn)類似于事務(wù)操作，要么全部執(zhí)行成功，要么回退到執(zhí)行該操作之前的狀態(tài)。

基本類型數(shù)據(jù)的訪問大都是原子操作，long 和double類型的變量是64位，但是在32位JVM中，32位的JVM會將64位數(shù)據(jù)的讀寫操作分為2次32位的讀寫操作來進(jìn)行，這就導(dǎo)致了long、double類型的變量在32位虛擬機(jī)中是非原子操作，數(shù)據(jù)有可能會被破壞，也就意味著多個(gè)線程在并發(fā)訪問的時(shí)候是線程非安全的。

下面我們來演示這個(gè)32位JVM下，對64位long類型的數(shù)據(jù)的訪問的問題：

public class NotAtomicity {
    //靜態(tài)變量t
    public  static long t = 0;
    //靜態(tài)變量t的get方法
    public  static long getT() {
        return t;
    }
    //靜態(tài)變量t的set方法
    public  static void setT(long t) {
        NotAtomicity.t = t;
    }
    //改變變量t的線程
    public static class ChangeT implements Runnable{
        private long to;
        public ChangeT(long to) {
            this.to = to;
        }
        public void run() {
            //不斷的將long變量設(shè)值到 t中
            while (true) {
                NotAtomicity.setT(to);
                //將當(dāng)前線程的執(zhí)行時(shí)間片段讓出去，以便由線程調(diào)度機(jī)制重新決定哪個(gè)線程可以執(zhí)行
                Thread.yield();
            }
        }
    }
    //讀取變量t的線程，若讀取的值和設(shè)置的值不一致，說明變量t的數(shù)據(jù)被破壞了，即線程不安全
    public static class ReadT implements Runnable{

        public void run() {
            //不斷的讀取NotAtomicity的t的值
            while (true) {
                long tmp = NotAtomicity.getT();
                //比較是否是自己設(shè)值的其中一個(gè)
                if (tmp != 100L && tmp != 200L && tmp != -300L && tmp != -400L) {
                    //程序若執(zhí)行到這里，說明long類型變量t，其數(shù)據(jù)已經(jīng)被破壞了
                    System.out.println(tmp);
                }
                ////將當(dāng)前線程的執(zhí)行時(shí)間片段讓出去，以便由線程調(diào)度機(jī)制重新決定哪個(gè)線程可以執(zhí)行
                Thread.yield();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new ChangeT(100L)).start();
        new Thread(new ChangeT(200L)).start();
        new Thread(new ChangeT(-300L)).start();
        new Thread(new ChangeT(-400L)).start();
        new Thread(new ReadT()).start();
    }
}

我們創(chuàng)建了4個(gè)線程來對long類型的變量t進(jìn)行賦值，賦值分別為100,200，-300，-400，有一個(gè)線程負(fù)責(zé)讀取變量t,如果正常的話，讀取到的t的值應(yīng)該是我們賦值中的一個(gè)，但是在32的JVM中，事情會出乎預(yù)料。如果程序正常的話，我們控制臺不會有任何的輸出，可實(shí)際上，程序一運(yùn)行，控制臺就輸出了下面的信息：

-4294967096
4294966896
-4294967096
-4294967096
4294966896

之所以會出現(xiàn)上面的情況，是因?yàn)樵?2位JVM中，64位的long數(shù)據(jù)的讀和寫都不是原子操作，即不具有原子性，并發(fā)的時(shí)候相互干擾了。

32位的JVM中，要想保證對long、double類型數(shù)據(jù)的操作的原子性，可以對訪問該數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行同步，就像下面的：

public class Atomicity {
    //靜態(tài)變量t
    public  static long t = 0;
    //靜態(tài)變量t的get方法,同步方法
    public synchronized static long getT() {
        return t;
    }
    //靜態(tài)變量t的set方法，同步方法
    public synchronized static void setT(long t) {
        Atomicity.t = t;
    }
    //改變變量t的線程
    public static class ChangeT implements Runnable{
        private long to;
        public ChangeT(long to) {
            this.to = to;
        }
        public void run() {
            //不斷的將long變量設(shè)值到 t中
            while (true) {
                Atomicity.setT(to);
                //將當(dāng)前線程的執(zhí)行時(shí)間片段讓出去，以便由線程調(diào)度機(jī)制重新決定哪個(gè)線程可以執(zhí)行
                Thread.yield();
            }
        }
    }
    //讀取變量t的線程，若讀取的值和設(shè)置的值不一致，說明變量t的數(shù)據(jù)被破壞了，即線程不安全
    public static class ReadT implements Runnable{

        public void run() {
            //不斷的讀取NotAtomicity的t的值
            while (true) {
                long tmp = Atomicity.getT();
                //比較是否是自己設(shè)值的其中一個(gè)
                if (tmp != 100L && tmp != 200L && tmp != -300L && tmp != -400L) {
                    //程序若執(zhí)行到這里，說明long類型變量t，其數(shù)據(jù)已經(jīng)被破壞了
                    System.out.println(tmp);
                }
                ////將當(dāng)前線程的執(zhí)行時(shí)間片段讓出去，以便由線程調(diào)度機(jī)制重新決定哪個(gè)線程可以執(zhí)行
                Thread.yield();
            }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new ChangeT(100L)).start();
        new Thread(new ChangeT(200L)).start();
        new Thread(new ChangeT(-300L)).start();
        new Thread(new ChangeT(-400L)).start();
        new Thread(new ReadT()).start();
    }
}

這樣做的話，可以保證對64位數(shù)據(jù)操作的原子性。

可見性：一個(gè)線程對共享變量做了修改之后，其他的線程立即能夠看到（感知到）該變量這種修改（變化）。

Java內(nèi)存模型是通過將在工作內(nèi)存中的變量修改后的值同步到主內(nèi)存，在讀取變量前從主內(nèi)存刷新最新值到工作內(nèi)存中，這種依賴主內(nèi)存的方式來實(shí)現(xiàn)可見性的。

無論是普通變量還是volatile變量都是如此，區(qū)別在于：volatile的特殊規(guī)則保證了volatile變量值修改后的新值立刻同步到主內(nèi)存，每次使用volatile變量前立即從主內(nèi)存中刷新，因此volatile保證了多線程之間的操作變量的可見性，而普通變量則不能保證這一點(diǎn)。

除了volatile關(guān)鍵字能實(shí)現(xiàn)可見性之外，還有synchronized,Lock，final也是可以的。

使用synchronized關(guān)鍵字，在同步方法/同步塊開始時(shí)（Monitor Enter）,使用共享變量時(shí)會從主內(nèi)存中刷新變量值到工作內(nèi)存中（即從主內(nèi)存中讀取最新值到線程私有的工作內(nèi)存中），在同步方法/同步塊結(jié)束時(shí)(Monitor Exit),會將工作內(nèi)存中的變量值同步到主內(nèi)存中去（即將線程私有的工作內(nèi)存中的值寫入到主內(nèi)存進(jìn)行同步）。

使用Lock接口的最常用的實(shí)現(xiàn)ReentrantLock(重入鎖)來實(shí)現(xiàn)可見性：當(dāng)我們在方法的開始位置執(zhí)行l(wèi)ock.lock()方法，這和synchronized開始位置（Monitor Enter）有相同的語義，即使用共享變量時(shí)會從主內(nèi)存中刷新變量值到工作內(nèi)存中（即從主內(nèi)存中讀取最新值到線程私有的工作內(nèi)存中），在方法的最后finally塊里執(zhí)行l(wèi)ock.unlock()方法，和synchronized結(jié)束位置（Monitor Exit）有相同的語義,即會將工作內(nèi)存中的變量值同步到主內(nèi)存中去（即將線程私有的工作內(nèi)存中的值寫入到主內(nèi)存進(jìn)行同步）。

final關(guān)鍵字的可見性是指：被final修飾的變量，在構(gòu)造函數(shù)數(shù)一旦初始化完成，并且在構(gòu)造函數(shù)中并沒有把“this”的引用傳遞出去（“this”引用逃逸是很危險(xiǎn)的，其他的線程很可能通過該引用訪問到只“初始化一半”的對象），那么其他線程就可以看到final變量的值。

有序性：對于一個(gè)線程的代碼而言，我們總是以為代碼的執(zhí)行是從前往后的，依次執(zhí)行的。這么說不能說完全不對，在單線程程序里，確實(shí)會這樣執(zhí)行；但是在多線程并發(fā)時(shí)，程序的執(zhí)行就有可能出現(xiàn)亂序。用一句話可以總結(jié)為：在本線程內(nèi)觀察，操作都是有序的；如果在一個(gè)線程中觀察另外一個(gè)線程，所有的操作都是無序的。前半句是指“線程內(nèi)表現(xiàn)為串行語義（WithIn Thread As-if-Serial Semantics）”,后半句是指“指令重排”現(xiàn)象和“工作內(nèi)存和主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象。

Java提供了兩個(gè)關(guān)鍵字volatile和synchronized來保證多線程之間操作的有序性,volatile關(guān)鍵字本身通過加入內(nèi)存屏障來禁止指令的重排序，而synchronized關(guān)鍵字通過一個(gè)變量在同一時(shí)間只允許有一個(gè)線程對其進(jìn)行加鎖的規(guī)則來實(shí)現(xiàn)，

在單線程程序中，不會發(fā)生“指令重排”和“工作內(nèi)存和主內(nèi)存同步延遲”現(xiàn)象，只在多線程程序中出現(xiàn)。

happens-before原則：

Java內(nèi)存模型中定義的兩項(xiàng)操作之間的次序關(guān)系，如果說操作A先行發(fā)生于操作B，操作A產(chǎn)生的影響能被操作B觀察到，“影響”包含了修改了內(nèi)存中共享變量的值、發(fā)送了消息、調(diào)用了方法等。

下面是Java內(nèi)存模型下一些”天然的“happens-before關(guān)系，這些happens-before關(guān)系無須任何同步器協(xié)助就已經(jīng)存在，可以在編碼中直接使用。如果兩個(gè)操作之間的關(guān)系不在此列，并且無法從下列規(guī)則推導(dǎo)出來的話，它們就沒有順序性保障，虛擬機(jī)可以對它們進(jìn)行隨意地重排序。

a.程序次序規(guī)則(Pragram Order Rule)：在一個(gè)線程內(nèi)，按照程序代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作。準(zhǔn)確地說應(yīng)該是控制流順序而不是程序代碼順序，因?yàn)橐紤]分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)。

b.管程鎖定規(guī)則(Monitor Lock Rule)：一個(gè)unlock操作先行發(fā)生于后面對同一個(gè)鎖的lock操作。這里必須強(qiáng)調(diào)的是同一個(gè)鎖，而”后面“是指時(shí)間上的先后順序。

c.volatile變量規(guī)則(Volatile Variable Rule)：對一個(gè)volatile變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個(gè)變量的讀取操作，這里的”后面“同樣指時(shí)間上的先后順序。

d.線程啟動規(guī)則(Thread Start Rule)：Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每一個(gè)動作。

e.線程終于規(guī)則(Thread Termination Rule)：線程中的所有操作都先行發(fā)生于對此線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結(jié)束，Thread.isAlive()的返回值等作段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行。

f.線程中斷規(guī)則(Thread Interruption Rule)：對線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生，可以通過Thread.interrupted()方法檢測是否有中斷發(fā)生。

g.對象終結(jié)規(guī)則(Finalizer Rule)：一個(gè)對象初始化完成(構(gòu)造方法執(zhí)行完成)先行發(fā)生于它的finalize()方法的開始。

h.傳遞性(Transitivity)：如果操作A先行發(fā)生于操作B，操作B先行發(fā)生于操作C，那就可以得出操作A先行發(fā)生于操作C的結(jié)論。

一個(gè)操作”時(shí)間上的先發(fā)生“不代表這個(gè)操作會是”先行發(fā)生“，那如果一個(gè)操作”先行發(fā)生“是否就能推導(dǎo)出這個(gè)操作必定是”時(shí)間上的先發(fā)生 “呢？也是不成立的，一個(gè)典型的例子就是指令重排序。所以時(shí)間上的先后順序與happens-before原則之間基本沒有什么關(guān)系，所以衡量并發(fā)安全問題一切必須以happens-before 原則為準(zhǔn)。