摘要：編譯器，和處理器會(huì)共同確保單線程程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果相同。正確同步的多線程程序的執(zhí)行將具有順序一致性程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果相同。

前情提要 深入理解Java內(nèi)存模型（六）——final

順序一致性內(nèi)存模型是一個(gè)理論參考模型，JMM和處理器內(nèi)存模型在設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)把順序一致性內(nèi)存模型作為參照。JMM和處理器內(nèi)存模型在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)對(duì)順序一致性模型做一些放松，因?yàn)槿绻耆凑枕樞蛞恢滦阅Ｐ蛠韺?shí)現(xiàn)處理器和JMM，那么很多的處理器和編譯器優(yōu)化都要被禁止，這對(duì)執(zhí)行性能將會(huì)有很大的影響。

根據(jù)對(duì)不同類型讀/寫操作組合的執(zhí)行順序的放松，可以把常見處理器的內(nèi)存模型劃分為下面幾種類型：

放松程序中寫-讀操作的順序，由此產(chǎn)生了total store ordering內(nèi)存模型（簡稱為TSO）。

在前面1的基礎(chǔ)上，繼續(xù)放松程序中寫-寫操作的順序，由此產(chǎn)生了partial store order 內(nèi)存模型（簡稱為PSO）。

在前面1和2的基礎(chǔ)上，繼續(xù)放松程序中讀-寫和讀-讀操作的順序，由此產(chǎn)生了relaxed memory order內(nèi)存模型（簡稱為RMO）和PowerPC內(nèi)存模型。

注意，這里處理器對(duì)讀/寫操作的放松，是以兩個(gè)操作之間不存在數(shù)據(jù)依賴性為前提的（因?yàn)樘幚砥饕袷豠s-if-serial語義，處理器不會(huì)對(duì)存在數(shù)據(jù)依賴性的兩個(gè)內(nèi)存操作做重排序）。

下面的表格展示了常見處理器內(nèi)存模型的細(xì)節(jié)特征：

  -------------- -------------- ------------------- ------------------- ------------------------------ ------------------------------ ------------------------------
  內(nèi)存模型名稱   對(duì)應(yīng)的處理器   Store-Load 重排序   Store-Store重排序   Load-Load 和Load-Store重排序   可以更早讀取到其它處理器的寫   可以更早讀取到當(dāng)前處理器的寫
  TSO            sparc-TSOX64   Y                                                                                                     Y
  PSO            sparc-PSO      Y                   Y                                                                                 Y
  RMO            ia64           Y                   Y                   Y                                                             Y
  PowerPC        PowerPC        Y                   Y                   Y                              Y                              Y
  -------------- -------------- ------------------- ------------------- ------------------------------ ------------------------------ ------------------------------

在這個(gè)表格中，我們可以看到所有處理器內(nèi)存模型都允許寫-讀重排序，原因在第一章以說明過：它們都使用了寫緩存區(qū)，寫緩存區(qū)可能導(dǎo)致寫-讀操作重排序。同時(shí)，我們可以看到這些處理器內(nèi)存模型都允許更早讀到當(dāng)前處理器的寫，原因同樣是因?yàn)閷懢彺鎱^(qū)：由于寫緩存區(qū)僅對(duì)當(dāng)前處理器可見，這個(gè)特性導(dǎo)致當(dāng)前處理器可以比其他處理器先看到臨時(shí)保存在自己的寫緩存區(qū)中的寫。

上面表格中的各種處理器內(nèi)存模型，從上到下，模型由強(qiáng)變?nèi)?。越是追求性能的處理器，?nèi)存模型設(shè)計(jì)的會(huì)越弱。因?yàn)檫@些處理器希望內(nèi)存模型對(duì)它們的束縛越少越好，這樣它們就可以做盡可能多的優(yōu)化來提高性能。

由于常見的處理器內(nèi)存模型比JMM要弱，java編譯器在生成字節(jié)碼時(shí)，會(huì)在執(zhí)行指令序列的適當(dāng)位置插入內(nèi)存屏障來限制處理器的重排序。同時(shí)，由于各種處理器內(nèi)存模型的強(qiáng)弱并不相同，為了在不同的處理器平臺(tái)向程序員展示一個(gè)一致的內(nèi)存模型，JMM在不同的處理器中需要插入的內(nèi)存屏障的數(shù)量和種類也不相同。下圖展示了JMM在不同處理器內(nèi)存模型中需要插入的內(nèi)存屏障的示意圖：

如上圖所示，JMM屏蔽了不同處理器內(nèi)存模型的差異，它在不同的處理器平臺(tái)之上為java程序員呈現(xiàn)了一個(gè)一致的內(nèi)存模型。

JMM是一個(gè)語言級(jí)的內(nèi)存模型，處理器內(nèi)存模型是硬件級(jí)的內(nèi)存模型，順序一致性內(nèi)存模型是一個(gè)理論參考模型。下面是語言內(nèi)存模型，處理器內(nèi)存模型和順序一致性內(nèi)存模型的強(qiáng)弱對(duì)比示意圖：

從上圖我們可以看出：常見的4種處理器內(nèi)存模型比常用的3中語言內(nèi)存模型要弱，處理器內(nèi)存模型和語言內(nèi)存模型都比順序一致性內(nèi)存模型要弱。同處理器內(nèi)存模型一樣，越是追求執(zhí)行性能的語言，內(nèi)存模型設(shè)計(jì)的會(huì)越弱。

從JMM設(shè)計(jì)者的角度來說，在設(shè)計(jì)JMM時(shí)，需要考慮兩個(gè)關(guān)鍵因素：

程序員對(duì)內(nèi)存模型的使用。程序員希望內(nèi)存模型易于理解，易于編程。程序員希望基于一個(gè)強(qiáng)內(nèi)存模型來編寫代碼。

編譯器和處理器對(duì)內(nèi)存模型的實(shí)現(xiàn)。編譯器和處理器希望內(nèi)存模型對(duì)它們的束縛越少越好，這樣它們就可以做盡可能多的優(yōu)化來提高性能。編譯器和處理器希望實(shí)現(xiàn)一個(gè)弱內(nèi)存模型。

由于這兩個(gè)因素互相矛盾，所以JSR-133專家組在設(shè)計(jì)JMM時(shí)的核心目標(biāo)就是找到一個(gè)好的平衡點(diǎn)：一方面要為程序員提供足夠強(qiáng)的內(nèi)存可見性保證；另一方面，對(duì)編譯器和處理器的限制要盡可能的放松。下面讓我們看看JSR-133是如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的。

為了具體說明，請(qǐng)看前面提到過的計(jì)算圓面積的示例代碼：

double pi  = 3.14;    //A
double r   = 1.0;     //B
double area = pi * r * r; //C

上面計(jì)算圓的面積的示例代碼存在三個(gè)happens- before關(guān)系：

A happens- before B；

B happens- before C；

A happens- before C；

由于A happens- before B，happens- before的定義會(huì)要求：A操作執(zhí)行的結(jié)果要對(duì)B可見，且A操作的執(zhí)行順序排在B操作之前。 但是從程序語義的角度來說，對(duì)A和B做重排序既不會(huì)改變程序的執(zhí)行結(jié)果，也還能提高程序的執(zhí)行性能（允許這種重排序減少了對(duì)編譯器和處理器優(yōu)化的束縛）。也就是說，上面這3個(gè)happens- before關(guān)系中，雖然2和3是必需要的，但1是不必要的。因此，JMM把happens- before要求禁止的重排序分為了下面兩類：

會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序。

不會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序。

JMM對(duì)這兩種不同性質(zhì)的重排序，采取了不同的策略：

對(duì)于會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM要求編譯器和處理器必須禁止這種重排序。

對(duì)于不會(huì)改變程序執(zhí)行結(jié)果的重排序，JMM對(duì)編譯器和處理器不作要求（JMM允許這種重排序）。

下面是JMM的設(shè)計(jì)示意圖：

從上圖可以看出兩點(diǎn)：

JMM向程序員提供的happens- before規(guī)則能滿足程序員的需求。JMM的happens- before規(guī)則不但簡單易懂，而且也向程序員提供了足夠強(qiáng)的內(nèi)存可見性保證（有些內(nèi)存可見性保證其實(shí)并不一定真實(shí)存在，比如上面的A happens- before B）。

JMM對(duì)編譯器和處理器的束縛已經(jīng)盡可能的少。從上面的分析我們可以看出，JMM其實(shí)是在遵循一個(gè)基本原則：只要不改變程序的執(zhí)行結(jié)果（指的是單線程程序和正確同步的多線程程序），編譯器和處理器怎么優(yōu)化都行。比如，如果編譯器經(jīng)過細(xì)致的分析后，認(rèn)定一個(gè)鎖只會(huì)被單個(gè)線程訪問，那么這個(gè)鎖可以被消除。再比如，如果編譯器經(jīng)過細(xì)致的分析后，認(rèn)定一個(gè)volatile變量僅僅只會(huì)被單個(gè)線程訪問，那么編譯器可以把這個(gè)volatile變量當(dāng)作一個(gè)普通變量來對(duì)待。這些優(yōu)化既不會(huì)改變程序的執(zhí)行結(jié)果，又能提高程序的執(zhí)行效率。

Java程序的內(nèi)存可見性保證按程序類型可以分為下列三類：

單線程程序。單線程程序不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題。編譯器，runtime和處理器會(huì)共同確保單線程程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果相同。

正確同步的多線程程序。正確同步的多線程程序的執(zhí)行將具有順序一致性（程序的執(zhí)行結(jié)果與該程序在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果相同）。這是JMM關(guān)注的重點(diǎn)，JMM通過限制編譯器和處理器的重排序來為程序員提供內(nèi)存可見性保證。

未同步/未正確同步的多線程程序。JMM為它們提供了最小安全性保障：線程執(zhí)行時(shí)讀取到的值，要么是之前某個(gè)線程寫入的值，要么是默認(rèn)值（0，null，false）。

下圖展示了這三類程序在JMM中與在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果的異同：

只要多線程程序是正確同步的，JMM保證該程序在任意的處理器平臺(tái)上的執(zhí)行結(jié)果，與該程序在順序一致性內(nèi)存模型中的執(zhí)行結(jié)果一致。

JSR-133對(duì)JDK5之前的舊內(nèi)存模型的修補(bǔ)主要有兩個(gè)：

增強(qiáng)volatile的內(nèi)存語義。舊內(nèi)存模型允許volatile變量與普通變量重排序。JSR-133嚴(yán)格限制volatile變量與普通變量的重排序，使volatile的寫-讀和鎖的釋放-獲取具有相同的內(nèi)存語義。

增強(qiáng)final的內(nèi)存語義。在舊內(nèi)存模型中，多次讀取同一個(gè)final變量的值可能會(huì)不相同。為此，JSR-133為final增加了兩個(gè)重排序規(guī)則?，F(xiàn)在，final具有了初始化安全性。

Computer Architecture: A Quantitative Approach, 4th Edition

Shared memory consistency models: A tutorial

Intel? Itanium? Architecture Software Developer’s Manual Volume 2: System Architecture

Concurrent Programming on Windows

JSR 133 (Java Memory Model) FAQ

The JSR-133 Cookbook for Compiler Writers

Java theory and practice: Fixing the Java Memory Model, Part 2

程曉明，Java軟件工程師，國家認(rèn)證的系統(tǒng)分析師、信息項(xiàng)目管理師。專注于并發(fā)編程，個(gè)人郵箱：[email protected]。

via ifeve