原创Java并发编程系列04 | Java内存模型详解

Posted 2020-12-21

【原创】Java并发编程系列04 | Java内存模型详解

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思维导图

写在前面

前面讲解了并发编程的三大核心问题：原子性、可见性、有序性。文章见：【原创】Java并发编程系列03 | 重排序-可见性和有序性问题根源
那么，作为从最开始就支持并发的语言，Java是如何解决这些核心问题的呢？

1. JMM抽象结构模型

JMM抽象结构模型

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中
每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存中存储了该线程用以读/写共享变量的副本

共享变量：堆内存在线程之间共享，存储在堆内存中所有实例域、静态域和数组元素都是共享变量

Java内存模型
线程之间通信

线程A与线程B通信：
线程A把本地内存A中的共享变量刷新到主内存中去。
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。
从整体来看，这个过程就是线程A在向线程B发送消息。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。
举例：

public class JMMTest {
    static int a = 0;// 主内存中的共享变量
    public static void main(String[] args) {
        new Thread() {
            public void run() {
                a = 1;// 线程本地内存中操作共享变量a，并将a=1刷新到猪内存中
                while(true) {// 测试用，为了保持线程运行
                }
            };
        }.start();

        new Thread() {
            public void run() {
                System.out.println(a);// 线程到主内存中读取变量a
                while(true) {
                }
            };
        }.start();
    }
}

两个线程之间的通信过程如下图：

2. JMM解决可见性和有序性问题

要求程序员都去搞懂重排序以及JMM内存屏障再去编程是不现实的。
JMM提供了简单易懂的happens-before原则，并向程序员保证执行并发程序会遵守happens-before原则。
程序员只需理解happens-before原则，按照happens-before原则写并发代码，就能保证内存可见性和有序性。
JMM的设计

1.程序员对内存模型的使用
程序员希望内存模型易于理解、易于编程。程序员希望基于一个强内存模型来编写代码。
JMM向程序员提供的happens-before规则，简单易懂且提供了足够强的内存可见性保证。程序员可以把happens-before规则当做强内存模型看待。
2.编译器和处理器对内存模型的实现
编译器和处理器希望内存模型对它们的束缚越少越好，这样它们就可以做尽可能多的优化来提高性能。编译器和处理器希望实现一个弱内存模型。

JMM遵循一个基本原则：只要不改变程序的执行结果（指的是单线程程序和正确同步的多线程程序），编译器和处理器怎么优化都行。

例如这些优化既不会改变程序的执行结果，又能提高程序的执行效率。

1.如果编译器经过细致的分析后，认定一个锁只会被单个线程访问，那么这个锁可以被消除。
2.如果编译器经过细致的分析后，认定一个volatile变量只会被单个线程访问，那么编译器可以把这个volatile变量当作一个普通变量来对待。

如图，程序员、happens-before、JMM之间的关系：

3. happens-before

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。

两个操作可以是单线程或多线程，happens-before解决的就是多线程内存可见性问题。区分数据依赖性和as-if-seial针对单线程。

happens-before原则定义如下：
1）一个操作happens-before另一个操作，那么第一个操作的执行结果将对第二个操作可见，而且第一个操作的执行顺序排在第二个操作之前。
2）两个操作之间存在happens-before关系，并不意味着一定要按照happens-before原则制定的顺序来执行。如果重排序之后的执行结果与按照happens-before关系来执行的结果一致，那么这种重排序并不非法。
happens-before原则规则：

1）程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作；
2）锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作；
3）volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作；
4）传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C；
5）线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作；
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）线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过   Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行；
8）对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始；

JMM与原子性问题
Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，需要通过互斥加锁synchronized和Lock来实现。

总结

JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系，共享变量存储在主内存中，线程本地内存中存储了该线程用以读/写共享变量的副本。
JMM向程序员提供的happens-before规则来解决可见性和有序性问题。
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。
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