Java并发编程之内存模型

内容简介：Java并发编程之内存模型

硬件的效率与一致性

让计算机并发执行若干运算任务不可能只靠处理器“计算”就能完成，处理器至少要与内存交互，如读取运算数据、存储运算结果的哪个，由于计算机的存储设备与处理器的运算速度有几个数量级的差距，所以现代计算机系统都不得不加入一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存(Cache)来作为内存与处理器之间的缓冲；将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，这样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。

基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也为计算机系统带来更高的复杂度，因为它引入了一个新的问题：缓存一致性（Cache Coherence）。 在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存（Main Memory），如下图所示。当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致，如果真的发生这种情况，那同步回到主内存时以谁的缓存数据为准呢？为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI、 MESI（Illinois Protocol）、 MOSI、 Synapse、 Firefly及Dragon Protocol等。在本文提到的“内存模型”一词，可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。不同架构的物理机器可以拥有不一样的内存模型，而 Java 虚拟机也有自己的内存模型，并且这里介绍的内存访问操作与硬件的缓存访问操作具有很高的可比性。

除了增加高速缓存之外，为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行（Out-Of-Order Execution）优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此，如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。 与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序（Instruction Reorder）优化。

Java内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model,JMM）来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

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（Variables）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，自然就不存在竞争问题

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中，每条线程还有自己的工作内存（Working Memory），线程的工作内存中保存了被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。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成，线程、 主内存、 工作内存三者的交互关系如图所示。

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种操作来完成，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（锁定） ：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
• unlock（解锁） ：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（读取） ：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的工作内存中，以便随后的load动作使用。
• load（载入） ：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（使用） ：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（赋值） ：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收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（存储） ：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主内存中，以便随后的write操作使用。
• write（写入） ：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复制到工作内存，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两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，一种可能出现顺序是read a、 read b、 load b、 load a。

原子性、可见性与有序性

在并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题：原子性问题，可见性问题，有序性问题。

• 原子性（Atomicity） ：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和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（例外就是long和double的非原子性协定）。Java内存模型还提供了lock、unlock和synchronized来保证原子性。
• 可见性（Visibility） ：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。
• 有序性（Ordering） ：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单例子，看下面这段代码：

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2

从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗？不一定，因为这里可能会发生指令重排序

什么是指令重排序，一般来说，处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

先行发生原则

先行发生（happens-before）是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、 发送了消息、 调用了方法等。

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，可以在编码中直接使用。 如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来的话，它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们随意地进行重排序。

• 程序次序规则（Program Order Rule） ：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于书写在后面的操作。 准确地说，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（Monitor Lock Rule） ：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。 这里必须强调的是同一个锁，而“后面”是指时间上的先后顺序。
• volatile变量规则（Volatile Variable Rule） ：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”同样是指时间上的先后顺序。
• 线程启动规则（Thread Start Rule） ：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（Thread Termination Rule ）：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，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（Thread Interruption Rule） ：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事件的发生，可以通过Thread.interrupted（）方法检测到是否有中断发生。
• 对象终结规则（Finalizer Rule） ：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize（）方法的开始。
• 传递性（Transitivity） ：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

参考文献： 深入理解Java虚拟机 周志明 著

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