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Java内存模型 (JMM)

基础概念

  1. 并发编程模型

    • 并发编程需解决两大核心问题：线程间的通信与同步。
    • 通信机制分为两类：共享内存和消息传递。
    • Java采用的是共享内存并发模型，线程之间通过读写共享变量进行隐式通信。

  2. Java内存模型的抽象

    • JMM是控制Java线程间通信的规则，它决定了一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。
    • 抽象结构：
      • 主内存：存储所有线程共享的变量（实例域、静态域、数组元素）。
      • 本地内存：每个线程私有的工作内存，存储了共享变量的副本。它是一个抽象概念，可以包括缓存、寄存器等。
    • 线程间通信过程：线程A要将更新后的共享变量值传递给线程B，必须经过两个步骤：1. 线程A将本地内存的副本刷新到主内存。2. 线程B从主内存读取更新后的变量值。

核心问题：重排序

为提升性能，编译器和处理器会对指令进行重排序，这可能导致多线程程序出现内存可见性问题。

  1. 重排序的类型

    • 编译器优化的重排序：不改变单线程语义的前提下，重新安排语句执行顺序。
    • 指令级并行的重排序：处理器为了重叠执行多条指令而改变执行顺序。
    • 内存系统的重排序：由于缓存和读写缓冲区的存在，使得内存的读写操作看起来是乱序的。

  2. JMM的对策

    • JMM通过定义一套规则，禁止特定类型的编译器和处理器重排序。
    • 实现方式是在生成指令时，在适当位置插入内存屏障（Memory Barriers），以禁止特定类型的重排序。

核心原则：Happens-Before

JSR-133内存模型提出了Happens-Before的概念，用于阐述操作间的内存可见性。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。

  1. 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：对一个锁的解锁（unlock）操作happens-before于后续对这个锁的加锁（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。

  2. 重要理解

    • 两个操作存在Happens-Before关系，不意味着前一个操作必须在后一个操作之前执行。
    • JMM仅要求前一个操作的执行结果对后一个操作可见。如果重排序不影响这个可见性（和最终结果），JMM是允许的。

重排序的细节与影响

  1. 数据依赖性与as-if-serial语义

    • 数据依赖性：如果两个操作访问同一个变量，且其中一个是写操作，则它们存在数据依赖。编译器和处理器不会对有数据依赖关系的操作进行重排序。
    • as-if-serial语义：无论如何重排序，单线程程序的执行结果不能被改变。这保证了单线程程序的正确性。

  2. 重排序对多线程的影响

    • 在多线程环境下，没有数据依赖关系的操作可能被重排序，从而破坏程序的原有逻辑。例如，线程A执行a=1; flag=true;，可能被重排序为先执行flag=true，此时线程B可能在a=1还未执行时就读到了flag=true，导致逻辑错误。

理论基础：顺序一致性模型

  1. 顺序一致性模型

    • 一个理想化的理论参考模型，提供了极强的内存可见性保证。
    • 两大特性：1. 单个线程内的所有操作都按程序顺序执行。2. 所有线程都只能看到一个单一、一致的操作执行顺序。

  2. JMM与顺序一致性的关系

    • 对于正确同步的多线程程序：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。这是JMM为程序员提供的核心保障。
    • 对于未同步或未正确同步的程序：JMM不保证其执行结果与顺序一致性模型中的结果一致。JMM只提供最小安全性保障，即线程读取到的值要么是之前某个线程写入的，要么是类型的默认值，不会凭空出现。

  3. 未同步程序的特性差异

    • JMM不保证64位的long和double类型变量的读写是原子性的（在某些32位处理器上可能会被拆分为两次32位操作）。

JMM的设计哲学与实现

  1. 设计目标

    • 在程序员（希望模型简单易懂，可见性强）和编译器/处理器（希望束缚少，优化空间大）之间找到平衡点。
    • 核心原则：只要不改变正确同步程序的执行结果，就允许编译器和处理器进行优化。

  2. 实现机制

    • JMM屏蔽了不同处理器内存模型的差异。常见的处理器内存模型通常比JMM要弱。
    • Java编译器通过在适当位置插入不同类型的内存屏障指令，来确保在各种硬件平台上都能提供一致的内存可见性保证。

JSR-133对旧模型的修复

JDK5启用的JSR-133规范主要修复了旧内存模型的两个问题： 1. 增强了volatile的内存语义：严格限制volatile变量与普通变量的重排序。 2. 增强了final的内存语义：增加了重排序规则，保证了final变量的初始化安全性。