并发编程系列之什么是Java内存模型？

Posted 2021-12-20 smileNicky

并发编程系列之什么是Java内存模型？

1、什么是Java的内存模型

Java内存模型简称JMM（Java Memory Model），JMM是和多线程并发相关的一组规范。各个jvm实现都要遵循这个JMM规范。才能保证Java代码在不同虚拟机顺利运行。因此，JMM 与处理器、缓存、并发、编译器有关。它解决了CPU 多级缓存、处理器优化、指令重排等导致的结果不可预期的问题。

2、为什么需要Java内存模型

程序的运行结果依赖于处理器，而不同的处理器规则都不一样，不同处理器差异是很大的，所以同段代码在处理器A运行正常，搬到处理器B运行结果是不一样的，所以为了兼容这种差异，推出了Java内存模型规范，JMM是一个规范标准，JMM保证了不同处理器的处理结果一致，同时也保证不同编译器、jvm等等的一致性。所以就保证了Java语言“书写一次、到处运行”

3、Java内存模型及操作规范

1. 共享变量都是放在主内存中的
2. 每个线程都有自己的工作内存，线程只可操作自己的工作内存
3. 线程要操作共享变量，需要从主内存中读取到工作内存，改变值之后要从工作内存同步到主内存

4、Java内存模型规定的原子操作

• Java内存模型的同步交换协议，规定了8种原子操作

原子操作：不可被中断的一个或一系列操作

1. lock（锁定）：将主内存中的变量锁定，为一个线程所独占
2. unlock（解锁）：将lock加的锁解除，其他的线程有机会访问此变量
3. read（读取）：作用于主内存变量，将主内存中的变量值读取到工作内存
4. load（加载）：作用于工作内存，将read读取到的值保存到工作内存中的变量副本
5. use（使用）：作用于工作内存变量，将值传递给线程的代码执行引擎
6. assign（赋值）：作用于工作内存变量，将执行引擎处理返回的值重新赋值给变量副本
7. store（存储）：作用于工作内存变量，将变量副本的值传送到主内存中
8. write（写入）：作用于主内存变量，将store传送过来的值写入到主内存的共享变量中

• Java内存模型的同步交互协议，执行上述8种原子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。即不允许加载或同步工作到一半。
2. 不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存中改变之后，必须将数据同步回主内存
3. 不允许一个线程无原因地（无assign操作）将数据从工作内存同步到主内存中。
4. 一个新的变量可能在主内存中诞生。
5. 一个变量在同一个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lock之后必须要执行相同次数unlock操作，变量才会解锁
6. 如果对一个对象进行lock操作，那么会清空工作内存变量中的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作初始变量的值
7. 如果一个对象事先没有被lock，就不允许对其进行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁住的变量。
8. 对一个变量执行unlock操作之前，必须将此变量同步回主内存中（执行store、write）

5、Java内存模型同步协议

• Java内存模型的同步协议，操作规范

1. 将一个变量从主内存复制到工作内存要顺序执行read、load操作；要将变量从工作内存同步回主内存要用store、write操作。只要求顺序执行，不一定是连续执行

图引用网上资料：

6、Java内存模型的HB法则

并发编程有三个重要特效：原子行、可见性、有序性

1. 原子性：原子性是指一个或者多个操作，要么全部执行且执行过程不会被其它操作打断，要么全部不执行。
2. 可见性：可见性是指共享变量对于多个线程都是可见的，也即一个线程修改了变量，其它线程马上就能知道
3. 有序性：有序性是指程序的执行顺序按照代码的先后顺便执行

在说JMM的happens-before(HB)法则之前，先说说并发编程的有序性。说到并发线程的有序性，还需要涉及到指令重排序

• 什么是指令重排?
  假如我们写一个程序，我们会期待这些语句的实际执行顺便和代码的顺序是一致的，大部分情况是一致的，但实际上，编译器、JVM 或者 CPU 都有可能出于优化等目的，对执行的顺序进行调整，这个就是指令重排序

• 重排序的好处：提高处理速度

代码顺序如图：

指令重排后，a=100; a= a+100会提到一起执行，效率提高

上面的例子，是可以提高执行效率，但是有时候指令重排是会导致问题的，如下代码例子，代码顺序是先初始化content，然后设置标识为true，线程B检测到为true之后，调用content的方法

如果指令重排后，这种情况就会出现没初始化完成，就直接调用conten的方法

所以，指令重排有好处也有坏处，一般可能是cpu、编译器或者是内存会进行指令重排，为了避免指令重排，保证并发编程的有序性，有时候需要使用synchronized等锁或者volatile等等方式避免

1. JMM规定了happens-before（先行发生）原则，来保证很多操作的有序性。
2. 当我们代码操作不满足先行发生原则时，则需在编码时使用volatile、synchronized来保证有序性

• JMM的HB法则

1. 程序顺序规则：每个线程的每个操作都happens-before该线程中任意的后续操作
2. 监视器锁规则：一个锁的解除，happens-before于随后对这个锁的加锁
3. volatile变量规则：对volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读
4. 线程启动规则：在某个线程对象上调用start()方法happens-before被启动线程中的任意动作
5. 线程终止规则：线程中所有操作都先行发生于对此线程的终止检测，如在线程t1中成功执行了t2.join()，则t2中的所有操作对t2可见
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（构造函数执行结束）先行发生于它的finalize方法的开始
8. 传递性：如果A happens-before于B，且B happens-before 于C，那么A happens-before于C