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Java 内存模型与并发编程

一、并发编程模型分类

  • 关键问题：线程通信与同步。
  • 通信机制：
  • 共享内存：线程通过读写共享状态隐式通信（如 Java）。
  • 消息传递：线程通过显式消息通信，无共享状态。
  • 同步机制：
  • 共享内存：显式同步，程序员需指定互斥代码。
  • 消息传递：隐式同步，发送先于接收。

Java 特点：采用共享内存模型，通信隐式，易引发可见性问题。

二、Java 内存模型（JMM）抽象

  • 存储位置：
  • 共享变量（实例域、静态域、数组元素）：存储在堆中，线程共享。
  • 私有变量（局部变量、方法参数、异常参数）：存储在栈中，线程隔离，无可见性问题。
  • 抽象模型：
  • 主内存：存储共享变量。
  • 本地内存：线程私有，保存共享变量副本（抽象概念，涵盖缓存、寄存器等）。
  • 通信步骤：
  • 线程更新本地内存中的共享变量副本。
  • 将更新刷新到主内存。
  • 其他线程从主内存读取更新。
  • 目的：通过控制主内存与本地内存交互，保证内存可见性。

三、重排序

  • 类型：
  • 编译器重排序：优化语句顺序，不改变单线程语义。
  • 指令级并行重排序：处理器重叠执行指令，无数据依赖可调整顺序。
  • 内存系统重排序：缓存和写缓冲区导致操作乱序。
  • 过程：源代码 → 编译器重排序 → 指令重排序 → 内存重排序 → 执行序列。
  • 问题：多线程下可能破坏可见性。
  • JMM 对策：
  • 禁止特定编译器重排序。
  • 通过内存屏障禁止处理器重排序。

四、处理器重排序与内存屏障

  • 写缓冲区影响：
  • 写操作暂存缓冲区，仅当前处理器可见。
  • 可能导致写-读操作重排序。
  • 处理器重排序类型（常见处理器）：
  • Store-Load：普遍允许。
  • 数据依赖：禁止重排序。
  • 内存屏障：
  • LoadLoad：确保加载顺序。
  • StoreStore：确保存储顺序。
  • LoadStore：加载先于存储。
  • StoreLoad：存储刷新后加载，全能型，开销大。
  • 作用：JMM 插入屏障，限制重排序，保证可见性。

五、Happens-Before

  • 定义（JSR-133）：
  • 一个操作结果对后续操作可见，且顺序在前。
  • 不要求严格时间顺序。
  • 规则：
  • 程序顺序：线程内操作顺序。
  • 监视器锁：解锁 → 加锁。
  • volatile：写 → 读。
  • 传递性：A → B，B → C，则 A → C。
  • 与 JMM：对应重排序规则，简化程序员理解。

六、数据依赖性与 As-If-Serial

  • 数据依赖：
  • 写后读、写后写、读后写：重排序改变结果，禁止。
  • 仅限单线程或单处理器。
  • As-If-Serial：
  • 单线程执行结果不变。
  • 无数据依赖可重排序。
  • 示例：pi * r * r，pi 和 r 可重排，但计算依赖不可。

七、重排序对多线程影响

  • 示例： java class ReorderExample { int a = 0; boolean flag = false; public void writer() { a = 1; flag = true; } public void reader() { if (flag) int i = a * a; } }
  • 无同步：
  • a = 1 和 flag = true 可重排序。
  • 线程 B 可能读到 flag = true 但 a = 0。
  • 控制依赖：
  • if (flag) 和 a * a 重排序，猜测执行破坏语义。

八、顺序一致性

  • 定义：
  • 线程按程序顺序执行。
  • 操作原子且立即对所有线程可见。
  • 数据竞争：
  • 无同步的读写操作。
  • 导致不可预测结果。
  • JMM 保证：
  • 正确同步程序具有顺序一致性。

九、同步与未同步程序

  • 同步程序：
  • 使用 synchronized： java class SynchronizedExample { int a = 0; boolean flag = false; public synchronized void writer() { a = 1; flag = true; } public synchronized void reader() { if (flag) int i = a; } }
  • 顺序一致性：临界区内重排序不影响结果。
  • 未同步程序：
  • 最小安全性：读取值为默认值或之前写入值。
  • 不保证顺序一致性。
  • 64 位变量读写可能非原子。

十、处理器内存模型

  • 类型：
  • TSO：允许写-读重排序。
  • PSO：加允许写-写。
  • RMO/PowerPC：更宽松。
  • 与 JMM：
  • JMM 通过屏障适配不同处理器。
  • 比顺序一致性弱，优化性能。

十一、JMM 设计

  • 平衡：
  • 程序员：强可见性，简单易用。
  • 编译器/处理器：弱约束，优化空间。
  • 策略：
  • 禁止改变结果的重排序。
  • 允许不影响结果的重排序。
  • 内存可见性：
  • 单线程：As-If-Serial。
  • 正确同步：顺序一致性。
  • 未同步：最小安全性。

十二、JSR-133 改进

  • Volatile：禁止与普通变量重排序，写-读如锁。
  • Final：初始化安全性，禁止重排序。

总结

  • JMM 核心：通过 Happens-Before 和屏障，平衡可见性与性能。
  • 并发基础：理解通信、同步与重排序是编写正确多线程程序的关键。