内存模型

内存模型是程序的运行规则,用于观察程序读写内存操作是否合法。Java内存模型的出现是用于屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异手段,实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

在《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是:“所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配”,并且被线程共享。方法区跟堆一样是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量。

局部变量方法定义参数异常处理程序参数不会被线程之间共享,它们不会受到内存模型的影响。

下方图是CPU组织与Java内存模型,它们很处理并发的情况有很多相似之处。推荐阅读文章Java并发编程-CPU缓存知识

Java内存模型与CPU硬件组织

内存模型的工作内存保存的是(堆/方法)的数据副本可以理解工作内存,线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主存储器(堆/方法区)来完成。

图上的(堆/方法区)其实对应的是主存储器,工作内存对应的是高速缓存,只是为了更加看起来感观,虚拟机为了获取到更好的运行速度会可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中,因为程序运行时主要访问的是工作内存。

虚拟机指令重排序

执行程序时,为了提高性能,编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分3种类型。

  1. 编译器优化的重排序。编译器在不改变单线程程序语义的前提下,可以重新安排语句的执行顺序。

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    Class Reordering {
    int x = 0, y = 0;
    public void writer() {
    x = 1;
    y = 2;
    }

    public void reader() {
    int r1 = y;
    int r2 = x;
    }
    }

    假设这段代码在两个线程中同时执行,读取y的值为2。因为这个写入是在对x的写入之后进行的,所以可能会假设对x的读取必须看到值1。但是,写入操作可能已被重新排序。如果发生这种情况,那么对y的写入就可能发生,两个变量的读取也可能随之发生,然后对x的写入也可能发生。结果是r1的值为2,而r2的值为0。

  1. 指令级并行的重排序。现代处理器采用了指令级并行技术(Instruction-Level Parallelism,ILP)来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性,处理器可以改变语句对应 机器指令的执行顺序。

  2. 内存系统的重排序。由于处理器使用缓存和读/写缓冲区,这使得加载和存储操作看上 去可能是在乱序执行。

原子性、可见性与有序性

1.原子性

即一个操作或者多个操作,要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证(经常会遇到),Java内存模型还提供了lock和unlock操作来满足这种需求,尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用,但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作。这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块synchronized关键字,因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。

2.可见性
可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时,其他线程能够立即得知这个修改。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内存,在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的,无论是普通变量还是volatile变量都是如此。普通变量与volatile变量的区别是,volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存,以及每次使用前立即从主内存刷新。因此我们可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性,而普通变量则不能保证这一点。
除了volatile之外,Java还有两个关键字能实现可见性,它们是synchronized和final。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存中”这条规则获得的。而final关键字的可见性是指:被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成,并且构造器没有把“this”的引用传递出去(this引用逃逸是一件很危险的事情,其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象),那么在其他线程中就能看见final字段的值。

3.有序性
即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。在本线程内观察,所有的操作都是有序的;在一个线程中观察另一个线程,所有的操作都是无序的。

happens-before

分析happens-before关系对于程序员来说是一个非常有力的保证,程序员不需要考虑重新排序来确定他们的代码是否包含数据竞争。

假设在同一个线程有两个动作x和y,x发生在y之前,可以写作 hb(x,y)。如果还有其他动作比如 hb(y,z)那么可以表示 为hb(x,z)。

happens-before关系的存在并不是一定意味着它们必须在执行中按该顺序进行。如果重新排序产生的结果与正常执行一致,也可以称为happens-before关系。例如:实例对象的字段没有在线程开始前初始化赋值,而是在线程读操作之前赋值。

  • 程序次序规则(Program Order Rule):在一个线程内,按照控制流顺序,书写在前面的操作先行 发生于书写在后面的操作。注意,这里说的是控制流顺序而不是程序代码顺序,因为要考虑分支、循 环等结构。
  • 管程锁定规则(Monitor Lock Rule):一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这 里必须强调的是“同一个锁”,而“后面”是指时间上的先后。
  • volatile变量规则(Volatile Variable Rule):对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量 的读操作,这里的“后面”同样是指时间上的先后。
  • 线程启动规则(Thread Start Rule):Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
  • 线程终止规则(Thread Termination Rule):线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检 测,我们可以通过T hread::join()方法是否结束、T hread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止 执行。
  • 线程中断规则(Thread Interruption Rule):对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程 的代码检测到中断事件的发生,可以通过T hread::int errup t ed()方法检测到是否有中断发生。
  • 对象终结规则(Finalizer Rule):一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的 finalize()方法的开始。
  • 传递性(Transitivity):如果操作A先行发生于操作B,操作B先行发生于操作C,那就可以得出 操作A先行发生于操作C的结论。
  • 线程读取长度、类型转换、虚拟机方法调用不会直接受到数据争用的影响。

Example

观察线程同步一致性与happens-before关系。A,B初始化赋值为0。

Thread 1 Thread 2
B = 1; A = 2;
r2 = A; r1 = B;

没有做线程同步一致性处理的执行时,r2和r1每次读取都可以看到初始值的写入或另一个线程的写入。

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1: B = 1;
3: A = 2;
2: r2 = A; // r2能观察到A初始化为0 或 Thread 2 A的写入2
4: r1 = B; // r1能观察到B初始化为0 或 Thread 1 的写入1

线程同步一致性处理的执行时

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1: r2 = A;  //  sees write of A= 2
3: r1 = B; // sees write of B = 1
2: B = 1;
4: A = 2;

final 修饰符

声明为final的字段初始化一次,但在正常情况下不会更改。final字段的详细语义与普通字段的语义有所不同。final字段允许在不同步的情况下实现线程安全的不可变对象。

final字段与普通字段的比较

假设 线程1调用writer 方法,线程2调用reader方法。y值写入线程2并观察到。

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class FinalFieldExample { 
final int x;
int y;
static FinalFieldExample f;

public FinalFieldExample() {
x = 3;
y = 4;
}

static void writer() {
f = new FinalFieldExample();
}

static void reader() {
if (f != null) {
int i = f.x; // final 保证x为的值为最终的 所以x值为3
int j = f.y; // j可能获取到 y的初始值0,因为y的写入并不会对其他线程具有可见性(普通字段写入并不会马上从缓存刷新)
}
}
}

final字段也会被更改

final字段可以通过反射技术进行修改,这是符合Java语言规范的。使用反射技术更改字段的时候应该把此对象引用和此对象的字段设置为线程私有等到对象初始化完毕。

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class A {
final int x;
A() {
x = 1;
}

int f() {
return (this)
}

static void g(A a) { //省略了异常处理代码
Class c=a.getClass();
Field x = x = c.getDeclaredField("x");
x.setAccessible(true);
x.setInt(a,2);
}
}

Double与Long

在Java编程语言内存模型中,对没有修饰volatile long或double值的单次写入被视为两次独立的写入:一次写入到32位的一半。这可能导致这样一种情况:线程从一次写入中看到64位值的前32位,从另一次写入中看到第二个32位。

JSR协议作者们鼓励 VM 的实现者尽可能避免将 64 位值的写操作分开。鼓励编码人员将共享 的 64 位值声明为 volaitle 的或将其程序正确同步以避免可能的并发问题。