JMM——Java內(nèi)存模型

keithyau 發(fā)布于2019-08-16 16:11 / 1173人閱讀

摘要：講什么內(nèi)存模型描述了多個線程之間通過內(nèi)存交互的規(guī)范，屏蔽了各種硬件和操作系統(tǒng)的訪問差異的，保證了程序在各種平臺下對內(nèi)存的訪問都能保證效果一致。這個版本的內(nèi)存模型在中仍然在使用。

JMM講什么

內(nèi)存模型（Memory Model）描述了多個線程之間通過內(nèi)存交互的規(guī)范，屏蔽了各種硬件和操作系統(tǒng)的訪問差異的，保證了Java程序在各種平臺下對內(nèi)存的訪問都能保證效果一致。在現(xiàn)代的多處理器（多核處理器）系統(tǒng)中，處理器擁有多級緩存以提升內(nèi)存訪問速度同時減少了內(nèi)存總線的訪問量。變量最終會保存在內(nèi)存中，但是編譯器、運行時、處理器可以對指令優(yōu)化和重新排序，緩存、寄存器也對內(nèi)存進行了讀寫優(yōu)化，只要保證在單個線程內(nèi)行為與代碼順序串行語義相同即可。內(nèi)存模型定義了充分且必要的條款，描述了程序中變量之間的關系，以及變量的讀取、寫入的底層細節(jié)，實現(xiàn)了并發(fā)過程中的原子性、可見性、有序性。

老版本JMM中的問題

原始的Java內(nèi)存模型存在一些不足，因此Java內(nèi)存模型在Java 1.5時被重新修訂（JSR133）。這個版本的Java內(nèi)存模型在Java 8中仍然在使用。老版本中的問題有：

final字段的值并不是完全不變的。構造器中對final字段值的寫入可以重排序至構造函數(shù)返回并將對象引用賦值給變量之后，導致其它線程看到還未完成初始化的final字段。這個問題的經(jīng)典案例是String的早期實現(xiàn)中，有多個final字段，但是其它線程可以看到字符串長度為0，而實際上字符串長度并不為0。

volatile字段的寫操作與非volatile字段的讀寫操作重排序。由于重排序的緣故，volatile字段的寫操作之前的操作被重新排序至之后進行，導致其它線程看到的結果與程序代碼不一致。這個問題的經(jīng)典案例是Double-Checked Locking（也稱multi-threaded singleton pattern）問題，即通過一個volatile字段來判斷是否需要進行初始化，從而實現(xiàn)延遲初始化并減少鎖操作的性能損耗。由于重排序的問題，導致部分初始化操作或構造操作被排序至volatile字段寫操作之后，導致其它線程看到部分初始化的數(shù)據(jù)，破壞了數(shù)據(jù)的一致性。

JSR133解決的問題

volatile語義增強：volatile字段的讀、寫操作與其它任務內(nèi)存操作操作重排序，volatile的讀操作與監(jiān)視器鎖的獲取具有相同的內(nèi)存語義（緩存失效并從主存重新讀取），volatile的定操作與監(jiān)視器鎖的釋放具有相同的內(nèi)存語義（緩存刷入主存）。在這個約定下，線程A寫入volatile字段V后，線程B可以讀出V的值，同時線程A在寫入V時能夠看到的變量值對線程B也可見。

是否可以重排序	第二個操作	第二個操作	第二個操作
第一個操作	普通讀/普通寫	volatile讀/monitor enter	volatile寫/monitor exit
普通讀/普通寫			No
voaltile讀/monitor enter	No	No	No
volatile寫/monitor exit		No	No

其中普通讀指getfield, getstatic, 非volatile數(shù)組的arrayload, 普通寫指putfield, putstatic, 非volatile數(shù)組的arraystore。volatile讀寫分別是volatile字段的getfield, getstatic和putfield, putstatic。monitorenter是進入同步塊或同步方法,monitorexist指退出同步塊或同步方法。

final字段增強：只要對象正確構造，那么不需要使用同步就可以保證任意線程都能看到final字段在構造器中被初始化之后的值。編譯器會在final域的寫之后，構造器函數(shù)return之前，插入StoreStore屏障。這個屏障禁止處理器把final域的寫重排序到構造函數(shù)之外。寫final域的重排序規(guī)則可以保證：在對象引用為任意線程可見之前，對象的final域已經(jīng)被正確初始化過了，而普通域不具有這個保障。讀final域的重排序規(guī)則是，禁止處理器重排序初次讀取對象引用與初次讀取該對象包含的final域這兩個操作。編譯器會在讀final域操作的前面插入一個LoadLoad屏障。讀final域的重排序規(guī)則可以確保：在讀一個對象的final域之前，一定會先讀包含這個final域的對象的引用。

初次讀對象引用與初次讀該對象包含的final域，這兩個操作之間存在間接依賴關系。由于編譯器遵守間接依賴關系，因此不會重排序這兩個操作；大多數(shù)處理器也會遵守間接依賴，也不會重排序這兩個操作。但有少數(shù)處理器允許對存在間接依賴關系的操作做重排序(比如alpha處理器),這個規(guī)則就是專門用來針對這種處理器的。

對于引用類型，寫final域的重排序規(guī)則對編譯器和處理器增加了如下約束：

在構造函數(shù)內(nèi)對一個final引用的對象的成員的寫入，與隨后在構造函數(shù)外把這個被構造對象的引用賦值給一個引用變量，這兩個操作之間不能重排序

確保在final引用的初始化在構造函數(shù)內(nèi)完成，因此一旦其他線程拿到了一個非null的final引用，那么這個引用一定是在構造函數(shù)內(nèi)被正確賦值的（至于是否正確初始化，則不一定，這取決于final引用的賦值語句）

Happens-Before規(guī)則

HappendBefore規(guī)則包括:

程序順序規(guī)則: 如果程序中操作A在操作B之前，那么同一個線程中操作A將在操作B之前進行

監(jiān)視器鎖規(guī)則: 在監(jiān)視器鎖上的鎖操作必須在同一個監(jiān)視器鎖上的加鎖操作之前執(zhí)行

volatile變量規(guī)則: volatile變量的寫入操作必須在該變量的讀操作之前執(zhí)行

線程啟動規(guī)則: 在線程上對Thread.start的調(diào)用必須在該線程中執(zhí)行任何操作之前執(zhí)行

線程結束規(guī)則: 線程中的任何操作都必須在其他線程檢測到該線程已經(jīng)結束之前執(zhí)行

中斷規(guī)則: 當一個線程在另一個線程上調(diào)用interrupt時，必須在被中斷線程檢測到interrupt之前執(zhí)行

傳遞性: 如果操作A在操作B之前執(zhí)行，并且操作B在操作C之前執(zhí)行，那么操作A在操作C之前執(zhí)行

相關鏈接

https://zhuanlan.zhihu.com/p/29881777

http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/

https://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr-133-faq.html

http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr133.pdf

http://gee.cs.oswego.edu/dl/jmm/cookbook.html

https://liuzhengyang.github.io/2017/05/12/javamemorymodel/

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