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Java 内存模型并发

基础概念

并发编程模型

  • 共享内存模型：线程之间通过读-写公共的内存区域来进行隐式通信。Java采用此模型。
  • 消息传递模型：线程之间没有公共状态，必须通过显式发送消息来通信。

JMM的抽象结构

JMM定义了线程和主内存（Main Memory）之间的关系。

  • 主内存：存储所有线程共享的变量（实例域、静态域、数组元素等）。
  • 本地内存（Local Memory）：每个线程私有的工作内存，存储了该线程读/写共享变量的副本。本地内存是一个抽象概念，它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器等。

线程间的通信必须经过主内存。过程如下： 1. 线程A将更新后的共享变量值从其本地内存刷新到主内存。 2. 线程B从主内存读取线程A更新过的共享变量值到自己的本地内存。

重排序

为了提高性能，编译器和处理器会对指令进行重排序。

重排序的类型

  1. 编译器优化重排序：不改变单线程程序语义的前提下，重新安排语句的执行顺序。
  2. 指令级并行重排序：现代处理器采用指令级并行技术，如果不存在数据依赖性，可以改变指令的执行顺序。
  3. 内存系统重排序：由于缓存和写缓冲区的存在，使得加载和存储操作看起来是乱序执行的。

处理器重排序与内存屏障

  • 写缓冲区：现代处理器使用写缓冲区来临时保存写入的数据，这可以提高性能，但也会导致处理器对内存的读/写顺序与实际发生的顺序不一致，尤其是在多处理器系统中，一个处理器的写缓冲对其他处理器是不可见的。这是导致内存可见性问题的根源之一。
  • 内存屏障 (Memory Barriers)：为了解决重排序带来的问题，JMM引入了内存屏障。编译器在生成指令序列时，会在适当位置插入内存屏障指令，以禁止特定类型的处理器重排序。
    • LoadLoad Barriers
    • StoreStore Barriers
    • LoadStore Barriers
    • StoreLoad Barriers (功能最全，开销也最大)

Happens-Before 原则

Happens-before是JMM中用于阐述操作之间内存可见性的核心概念。如果一个操作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。

主要规则

  • 程序顺序规则：在一个线程内，书写在前面的操作 happens-before 于书写在后面的操作。
  • 监视器锁规则：一个unlock操作 happens-before 于后面对同一个锁的lock操作。
  • volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作 happens-before 于任意后续对这个volatile变量的读操作。
  • 传递性：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么A happens-before C。

as-if-serial 语义

指无论如何重排序，（单线程）程序的执行结果不能被改变。编译器和处理器必须遵守此语义。为了遵守它，存在数据依赖关系的操作不会被重排序。但是，没有数据依赖关系的操作则可能被重排序。

重排序对多线程的影响

在单线程中，as-if-serial语义保证了程序的正确性。但在多线程环境中，即便是没有数据依赖的操作，其重排序也可能破坏程序的逻辑。例如，一个线程写入数据后再设置一个标志位，如果这两个操作被重排序，另一个线程可能会看到标志位被设置，但读取到的数据却是旧的。

顺序一致性模型

顺序一致性模型简介

这是一个理论上的参考模型，它为程序员提供了极强的内存可见性保证。

  • 两大特性：
    1. 一个线程中的所有操作必须按照程序的顺序来执行。
    2. 所有线程都只能看到一个单一的操作执行顺序，每个操作都必须原子执行且立刻对所有线程可见。

JMM与顺序一致性模型的对比

  • 对于正确同步的程序：JMM保证其执行结果与在顺序一致性模型中的执行结果相同。JMM允许在临界区内进行重排序以提高性能，但通过锁机制保证了其他线程无法观察到这种重排序，从而对外呈现出顺序一致性的效果。

  • 对于未同步/未正确同步的程序：JMM提供的保证很弱。

    • JMM不保证操作的执行顺序与程序顺序一致。
    • JMM不保证所有线程看到的操作执行顺序是一致的。
    • JMM不保证对64位long和double类型变量的读写是原子性的（但在现代商用虚拟机中通常会实现原子性）。
    • JMM仅提供最小安全性：线程读取到的值要么是之前某个线程写入的值，要么是类型的默认值（0, null, false），不会无中生有。

JMM的设计与总结

JMM、处理器模型与顺序一致性模型的关系

  • 强度对比：顺序一致性模型 > JMM > 处理器内存模型。
  • 越追求性能的处理器或语言，其内存模型就设计得越弱，对优化的限制就越少。JMM通过插入内存屏障，屏蔽了不同处理器内存模型的差异，为Java程序员提供了统一的、比大多数处理器模型更强的内存模型。

JMM的设计哲学

JMM的设计旨在平衡两个矛盾的目标：

  1. 程序员的需求：希望内存模型易于理解，提供强大的内存可见性保证（强模型）。
  2. 编译器和处理器的需求：希望内存模型的束缚尽可能少，以便进行更多优化来提升性能（弱模型）。

JMM的解决方案是： - 对程序员：提供简单易懂的happens-before规则。 - 对编译器和处理器：遵循一个基本原则——只要不改变（单线程和正确同步的多线程）程序的执行结果，就可以进行任意优化。对于会改变程序执行结果的重排序，JMM要求必须禁止；对于不会改变的，则允许。

JSR-133对旧模型的修补

JDK 5之后采用的JSR-133内存模型主要做了两项重要的增强： - 增强了volatile的内存语义：严格限制了volatile变量与普通变量的重排序，使其写-读操作具有与锁的释放-获取相同的内存语义。 - 增强了final的内存语义：保证了final域的初始化安全性，确保对象构造完成后，其他线程能看到final域的正确初始值。