java虚拟机Java内存模型

Posted 2020-11-22 平凡希

一、什么是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。在此之前，主流程序语言（如C/C++等）直接使用物理硬件和操作系统的内存模型，因此，会由于不同平台上内存模型的差异，有可能导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另外一套平台上并发访问却经常出错，因此在某些场景下就不许针对不同的平台来编写程序。

      Java内存模型即要定义得足够严谨，才能让Java的并发内存访问操作不会产生歧义；Java内存模型也必须定义地足够宽松，才能使得虚拟机的实现有足够的自由空间去利用硬件的各种特性来获取更好的执行速度。经过长时间的验证和修补，JDK1.5（实现了JSR-133）发布之后，Java内存模型已经成熟和完善起来了，一起来看一下。

二、主内存和工作内存

      Java内存模型的主要目的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。注意一下，此处的变量并不包括局部变量与方法参数，因为它们是线程私有的，不会被共享，自然也不会存在竞争，此处的变量应该是实例字段、静态字段和构成数组对象的元素。

      Java内存模型中规定了所有的变量都存储在主内存中（如虚拟机物理内存中的一部分），每条线程还有自己的工作内存（如CPU中的高速缓存），线程的工作内存中保存了该线程使用到的变量到主内存的副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值）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。不同线程之间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、主内存和工作内存的交互关系如下图所示：

三、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：

1、lock（锁定）：作用于主内存中的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。

2、unlock（解锁）：作用于主内存中的变量，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。

3、read（读取）：作用于主内存中的变量，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。

4、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。

5、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，没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。

6、assign（赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存中的变量，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。

7、store（存储）：作用于工作内存中的变量，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。

8、write（写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量值放入主内存的变量中。

如果要把一个变量从主内存中复制到工作内存，就需要按顺寻地执行以下两个操作：

（1）由JVM主内存执行的读（read）操作；

（2）由Java线程的工作内存执行相应的load操作。

反过来，如果把变量从工作内存中同步回主内存中，也出现两个操作：

（1）由Java线程的工作内存执行的存储（store）操作；

（2）由JVM主内存执行的相应的写（write）操作。

      Java内存模型只要求上述操作必须按顺序执行，而没有保证必须是连续执行。也就是read和load之间，store和write之间是可以插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，可能的顺序是read a，read b，load b， load a。

Java内存模型还规定了在执行上述八种基本操作时，必须满足如下规则：

1、不允许read和load、store和write操作之一单独出现。

2、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。

3、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。

4、一个新的变量只能从主内存中诞生，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量。

5、一个变量在同一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后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。

6、如果对同一个变量执行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。

7、如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它进行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。

8、对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中。

四、volatile型变量的特殊规则

      上面说过，read，load，store，write的操作都是原子的，即执行期间不会被中断！但是各个原子操作之间可能会发生中断！对于普通变量，如果一个线程中那份主内存变量值的拷贝更新了，并不能马上反应在其他变量中，因为Java的每个线程都私有一个工作内存，里面存储了该条线程需要用到的主内存中的变量拷贝！（比如实例的字段信息，类型的静态变量，数组，对象……）如图：

      A，B两条线程直接读or写的都是线程的工作内存！而A、B使用的数据从各自的工作内存传递到同一块主内存的这个过程是有时差的，或者说是有隔离的！通俗的说他们之间看不见！也就是之前说的一个线程中的变量被修改了，是无法立即让其他线程看见的！如果需要在其他线程中立即可见，需要使用 volatile 关键字。现在引出volatile关键字：

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。一个变量被定义为volatile后，它将具备两种特性：

1、保证此变量对所有线程的"可见性"，所谓"可见性"是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其它线程来说都是可以立即得知的，而普通变量不能做到这一点，普通变量的值在在线程间传递均需要通过主内存来完成。例如，线程A修改一个普通变量的值，然后将变量的值写回主内存，另外一个线程B在线程A回写完成了之后再从主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。另外，java里面的运算并非原子操作，会导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的。再强调一遍，volatile只保证了可见性，并不保证基于volatile变量的运算在并发下是安全的。

2、使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通变量仅仅会保证在该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。

总结一下Java内存模型对volatile变量定义的特殊规则：

1、在工作内存中，每次使用某个变量的时候都必须线从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对该变量所做的修改之后的值。

2、在工作内存中，每次修改完某个变量后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程能够看见自己对该变量所做的修改。

3、volatile修饰的变量不会被指令重排序优化，保证代码的执行顺序与程序顺序相同。

五、原子性、可见性、有序性

Java内存模型围绕着并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的，来逐个看一下：

1、原子性（Atomicity）

      由Java内存模型来直接保证原子性变量操作包括read、load、assign、use、store、write，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的原子性保证，Java内存模型还提供了lock和unlock，尽管虚拟机没有把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作，这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块----synchronized关键字。

什么是原子性？

在Java中，对基本数据类型的变量的操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。看例子：

int x = 10;         //语句1
y = x;               //语句2
x++;                //语句3
x = x + 1;        //语句4

这几个语句哪几个是原子操作？

      其实只有语句1是原子性操作，其他三个语句都不是原子性操作。语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句会直接将数值10写入到工作内存中。线程执行语句2实际上包含2个操作，它先要去主内存读取x的值，再将x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及将x的值写入工作内存这2个操作都是原子性操作，但是合起来就不是原子性操作了。同样的，x++和 x = x+1包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。也就是说，只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。

2、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。volatile其实已经详细写了这一点，其实synchronized关键字也是可以实现可见性的，synchronized的可见性是由"对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中"这条规则获得的。另外，final关键字也可以实现可见性，因为被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传递出去，那在其他线程中就能看见final字段的值。

什么是可见性？

     大白话就是一个线程修改了变量，其他线程可以立即能够知道。保证可见性可以使用之前提到的volatile关键字（强制立即写入主内存，使得其他线程共享变量缓存行失效），还有重量级锁synchronized （也就是线程间的同步，unlock之前，写变量值回主存，看作顺序执行的），最后就是常量——final修饰的(一旦初始化完成，其他线程就可见)。其实这里忍不住还是补充下，关键字volatile 的语义除了保证不同线程对共享变量操作的可见性，还能禁止进行指令重排序！也就是保证有序性。

3、有序性（Ordering）

      Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：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外一个线程，所有的操作都是无须的。前半句是指"线程内表现为穿行的语义"，后半句是指"指令重排序"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，这条规则规定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

什么是有序性和重排序？

     还是大白话，在本线程内，所有的操作看起来都是有序的，但是在本线程之外（其他线程）观察，这些操作都是无序的。涉及到了：

• 指令重排（破坏线程间的有序性）
• 之前说的工作内存和主内存同步延时（也就是线程A先后更新两个变量m和n，但是由于线程工作内存和JVM主内存之间的同步延时，线程B可能还没完全同步线程A更新的两个变量，可能先看到了n……对于B来说，它看A的操作就是无序的，顺序无法保证）。

六、先行发生happens-before原则

       如果Java内存模型中所有的有序性都仅仅靠volatile和synchronized来完成，那么有一些操作将变得很繁琐，但是我们在编写Java代码时并未感觉到这一点，这是因为Java语言中有一个"先行发生（happens-before）"原则。这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，依靠这个原则，我们可以通过几条规则就判断出并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的问题。

       所谓先行发生原则是指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，那么操作A产生的影响能够被操作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。Java内存模型下有一些天然的，不需要任何同步协助器就已经存在的先行发生关系：

1、程序次序规则：在一个线程内，按照控制流顺序，控制流前面的操作先行发生于控制流后面的操作，说"控制流"是因为还要考虑到分支、循环结构。

2、管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。

3、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。

4、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。

5、线程终止规则：线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测。

6、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事件的发生。

7、对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize()方法的开始。

8、传递新：如果操作A先行发生于操作B，操作B先行发生于操作C，那么操作A必然先行发生于操作C。

      Java语言无须任何同步手段保障就能成立的先行发生规则就只有上面这些额，如果两个操之间的关系不在此列，并且无法通过下面规则推导出来的话，它们就没有顺序性保障。举一个例子来看一下：

private int i = 0;

public void setI(int i)
{
    this.i = i;
}

public int getI()
{
    return i;
}

      很普通的一组getter/setter，假设A线程先调用了setI(1)，B线程再调用了同一个对象的getI()，那么B线程的返回值是什么？

      依次分析一下先行发生原则中的各项规则。由于两个方法分别由两个线程分别调用，因此程序次序规则这里不适用；由于没有同步块，所以也就没有unlock和lock，因此管程锁定规则这里不适用；i没有被关键字volatile修饰，因此volatile变量规则这里不适用；后面的启动、终止、中断、对象终结也和这里完全没有关系，因此也都不适用。因为没有一个实用的先行发生规则，所以最后一条传递性也无从谈起，因此传递性也不适用。由于所有先行发生原则都不适用，因此尽管线程A的setI(1)操作在时间上先发生，但无法确定线程B的getI()的返回结果，换句话说，这里面的操作不是线程安全的。

那如何修复这个问题？至少有两种比较简单的办法：

1、setter/getter都定义成synchronized的，这样可以套用管程锁定规则

2、i定义为volatile变量，由于setter方法对i的修改不依赖于i的原值，满足volatile关键字的使用场景，这样可以套用volatile变量规则