并发系列----Java内存模型

Posted 2020-12-02 alemand

一 简介

    在并发编程中，两个线程（A、B）同时操作一个普通变量的时候会出现线程A在操作变量时线程B也将变量操作了，此时线程A是无法感知变量发生变化的，造成变量改变错误。更据以上例子我们需要解决的问题就是线程之间的通信以及同步。表在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种：共享内存和消息传递。Java并发采用的是共享内存模型，Java线程之间的通信总是隐式进行，整个通信对程序员玩完全透明。

二 Java内存模型的抽象结构

    Java线程之间的通信由Java内存模型（本文简称为JMM）控制，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存（Main Memory）中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。Java内存模型的抽象示意图如下。

 

 

从上图来看，线程A与线程B之间如要通信的话，必须要经历下面2个步骤：

    1.首先，线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。

    2.然后，线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

下面通过示意图来说明这两个步骤：

 

 

如上图所示，本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本。假设初始时，这三个内存中的x值都为0。线程A在执行时，把更新后的x值（假设值为1）临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时，线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中，此时主内存中的x值变为了1。随后，线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值，此时线程B的本地内存的x值也变为了1。

从整体来看，这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息，而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互，来为java程序员提供内存可见性保证。

三 重排序

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分3种类型。

1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

2. 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-LevelParallelism，ILP）来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。

3. 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行

从java源代码到最终实际执行的指令序列，会分别经历下面三种重排序：

 

上述的1属于编译器重排序，2和3属于处理器重排序。这些重排序可能会导致多线程程序出现内存可见性问题。对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（Memory Barriers，Intel称之为Memory Fence）指令，通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。JMM属于语言级的内存模型，它确保在不同的编译器和不同的处理器平台之上，通过禁止特定类型的编译器重排序和处理器重排序，为程序员提供一致的内存可见性保证。

为了保证内存可见性，Java编译器在生成指令序列的适当位置会插入内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。JMM把内存屏障指令分为4类

 

 

四 happens-before

JSR-133提出了happens-before的概念，通过这个概念来阐述操作之间的内存可见性。如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在happens-before关系。这里提到的两个操作既可以是在一个线程之内，也可以是在不同线程之间。 与程序员密切相关的happens-before规则如下：

1.程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。

2. 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。

3. volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读

4. 传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

注意：两个操作之间具有happens-before关系，并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行！happens-before仅仅要求前一个操作（执行的结果）对后一个操作可见，且前一个操作按顺序排在第二个操作之前

5.start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。

6.join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回

happens-before与JMM的关系如下图所示：

 

 

如上图所示，一个happens-before规则通常对应于多个编译器重排序规则和处理器重排序规则。对于java程序员来说，happens-before规则简单易懂，它避免程序员为了理解JMM提供的内存可见性保证而去学习复杂的重排序规则以及这些规则的具体实现

五 说明

只要是内存模型的就逃不掉程晓明写的内存深入理解Java内存模型，我是看完他的《深入Java内存模型》写的本来想做个总结的结果总结下来发现90%还是书上的。本人能力有限将我认为比较总要的有助于理解Java的内存模型的东西写到这里面。参考文献里面有程晓敏博客地址

深入理解Java内存模型（一）——基础