簡(jiǎn)介：

Java線程之間的通信對(duì)程序員完全透明，內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題很容易困擾Java程序員，這一系列幾篇文章將揭開(kāi)Java內(nèi)存模型的神秘面紗。

這一系列的文章大致分4個(gè)部分，分別是：

• Java內(nèi)存模型基礎(chǔ)，主要介紹內(nèi)存模型相關(guān)基本概念
• Java內(nèi)存模型中的順序一致性，主要介紹重排序與順序一致性內(nèi)存模型
• 同步原語(yǔ)，主要介紹三個(gè)同步原語(yǔ)(synchronized、volatile和final)的內(nèi)存語(yǔ)義及重排序規(guī)則在處理器中的實(shí)現(xiàn)
• Java內(nèi)存模型的設(shè)計(jì)，主要介紹Java內(nèi)存模型的設(shè)計(jì)原理，及其與處理器內(nèi)存模型和順序一致性內(nèi)存模型的關(guān)系。

一、Java內(nèi)存模型的基礎(chǔ)

1.1 并發(fā)編程模型的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

在并發(fā)編程中需要處理兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：線程之間如何通信及線程之間如何同步（這里的線程是指并發(fā)執(zhí)行的活動(dòng)實(shí)體）。

通信——線程之間以何種機(jī)制來(lái)交換信息。在命令式編程中，線程之間的通信機(jī)制有兩種：共享內(nèi)存和消息傳遞。

• 共享內(nèi)存：線程之間共享程序的公共狀態(tài)，通過(guò)讀寫(xiě)內(nèi)存中的公共轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行隱式通信
• 消息傳遞：線程之間沒(méi)有公共狀態(tài)，線程之間必須通過(guò)發(fā)送消息來(lái)顯式進(jìn)行通信

同步——程序中用于控制不同線程鍵操作發(fā)生相對(duì)順序的機(jī)制。

• 共享內(nèi)存：同步是顯式進(jìn)行的，由于程序員必須顯式指定某個(gè)方法或某段代碼需要在線程之間互斥執(zhí)行
• 消息傳遞：同步是隱式進(jìn)行的，由于消息的發(fā)送必須在消息的接收之前。

總結(jié)：

Java的并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型，Java線程之間的通信總是隱式進(jìn)行，整個(gè)通信過(guò)程對(duì)程序員完全透明，如果編寫(xiě)多線程程序的Java程序員不理解隱式進(jìn)行線程之間的通信的工作機(jī)制，很可能會(huì)遇到各種奇怪的內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題。

1.2 Java內(nèi)存模型的抽象結(jié)構(gòu)

Java中所有的實(shí)例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素都存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中，堆內(nèi)存在線程之間共享（文章中用“共享變量”指代）。局部變量(Local Variables)、方法定義參數(shù)(Formal Method Parameters)和異常處理器參數(shù)(Exception Handler Parameters)不會(huì)在線程之間共享，它們不會(huì)存在內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，因此也不受內(nèi)存模型的影響。
Java線程之間的通信由Java內(nèi)存模型(JMM)控制，JMM決定一個(gè)線程對(duì)共享變量的寫(xiě)入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見(jiàn)。從抽象的角度來(lái)看，JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：線程之間的共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每個(gè)線程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存(Local Memory)，本地內(nèi)存中存儲(chǔ)了該線程以讀/寫(xiě)共享變量的副本。本地內(nèi)存時(shí)JMM的一個(gè)抽象概念，并不真實(shí)存在。JMM涵蓋了緩存、寫(xiě)緩沖區(qū)、寄存器以及其他的硬件和編譯器優(yōu)化。

圖示：Java內(nèi)存模型的抽象示意圖

從上圖來(lái)看，線程A和線程B之間要通信的話，必須經(jīng)歷下面2個(gè)步驟。

• 線程A把本地內(nèi)存A中更新過(guò)的變量刷新到主內(nèi)存中
• 線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A之前已更新過(guò)的共享變量

圖示：線程之間通信示意圖

如上圖所示，本地內(nèi)存A和本地內(nèi)存B有主內(nèi)存中共享變量X的副本。假設(shè)初始時(shí)，這三個(gè)內(nèi)存中的X的值都是0.線程A在執(zhí)行時(shí)，把更新后的X的值（假設(shè)值為1）臨時(shí)存放在自己的本地內(nèi)存A中。當(dāng)線程A和線程B需要通信是，線程A首先把自己本地內(nèi)存中修改后的X刷新到主內(nèi)存中，此時(shí)主內(nèi)存中的X值變?yōu)榱?.隨后，線程B到主內(nèi)存中去讀取線程A更新后的X值，此時(shí)線程B的本地內(nèi)存X的值也更新成了1。
從整體來(lái)看，這兩個(gè)步驟實(shí)質(zhì)上是線程A在向線程B發(fā)送消息，而且這個(gè)通信過(guò)程必須要經(jīng)過(guò)主內(nèi)存。JMM通過(guò)控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互，來(lái)為Java程序員提供內(nèi)存可見(jiàn)性保證。

1.3 從源代碼到指令重排序

在執(zhí)行程序時(shí)，為了提高性能，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令做重排序。重排序分為三種類型：

• 編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變單線程程序語(yǔ)義的前提下，可以重新安排語(yǔ)句的執(zhí)行順序。
• 指令級(jí)并行的重排序?，F(xiàn)代處理器采用了指令級(jí)并行技術(shù)(Instruction-Level Parallelism,ILP)來(lái)將對(duì)跳指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性，處理器可以改變語(yǔ)句對(duì)應(yīng)及其指令的執(zhí)行順序。
• 內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀/寫(xiě)緩沖區(qū)，這使得加載和存儲(chǔ)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

從Java源代碼的最終實(shí)際執(zhí)行的指令序列，會(huì)分別經(jīng)歷下面3種重排序，其中1屬于編譯器重排序，2和3屬于處理器重排序。

源代碼到最終執(zhí)行的指令序列示意圖：

重排序可能會(huì)導(dǎo)致多線程程序出現(xiàn)內(nèi)存可見(jiàn)性問(wèn)題，對(duì)于編譯器，JMM的編譯器重排序規(guī)則會(huì)禁止特定類型的編譯器重排序（不是所有的編譯器重排序都需要禁止）。對(duì)于處理器重排序，JMM的處理器重排序規(guī)則會(huì)要求Java編譯器在生成指令序列時(shí)，插入特定類型的內(nèi)存屏障（Memory Barries, Intel稱之為Memory Fence）指令，通過(guò)內(nèi)存屏障指令來(lái)禁止特定類型的處理器重排序。
JMM屬于語(yǔ)言級(jí)的內(nèi)存模型，它確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺(tái)之上，通過(guò)禁止特定類型的編譯器重排序和處理器重排序，為程序員提供一致的內(nèi)存可見(jiàn)性保障。

1.4 寫(xiě)緩沖區(qū)和內(nèi)存屏障

1.4.1 寫(xiě)緩沖區(qū)

現(xiàn)代處理器都會(huì)使用寫(xiě)緩沖區(qū)臨時(shí)保存向內(nèi)存中寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。寫(xiě)緩沖區(qū)的主要作用：

• 可以保證指令流水線持續(xù)運(yùn)行，可以避免由于處理器停頓下來(lái)等待向內(nèi)存寫(xiě)入數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的延遲。
• 它以批處理的方式方式刷新寫(xiě)緩沖區(qū)，以及合并寫(xiě)緩沖區(qū)中對(duì)統(tǒng)一地址的多次寫(xiě)，減少對(duì)內(nèi)存總線的占用。

常見(jiàn)處理器允許的重排序類型（Y-表示允許兩個(gè)操作重排序，N-表示處理器不允許兩個(gè)操作重排序）

說(shuō)明：常見(jiàn)處理器都允許Store-Load重排序；常見(jiàn)的處理器都不允許對(duì)存在數(shù)據(jù)依賴性的操作做重排序。N多的表示處理器擁有相對(duì)較強(qiáng)的處理器內(nèi)存模型。

處理器和內(nèi)存交互：

說(shuō)明：處理器A和處理器B可以同時(shí)把共享變量寫(xiě)入自己的寫(xiě)緩沖區(qū)（A1、B1），然后從內(nèi)存中讀取另一個(gè)共享變量（A2、B2），最后才把自己寫(xiě)緩沖區(qū)中保存的臟數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中（A3、B3）。當(dāng)以這種時(shí)序執(zhí)行時(shí)，程序就可以得到x=y=0結(jié)果。

1.4.2 內(nèi)存屏障

為了保證內(nèi)存可見(jiàn)性，Java編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會(huì)插入內(nèi)存屏障指令來(lái)禁止特定類型的處理器重排序。

JMM把內(nèi)存屏障指令分為4類：

1.5 happens-before 簡(jiǎn)介

從JDK1.5開(kāi)始，Java使用新的JSR-133內(nèi)存模型。JSR-133使用happens-before的概念來(lái)闡述操作之間的內(nèi)存可見(jiàn)性。在JMM中，如果一個(gè)操作的結(jié)果需要對(duì)另一個(gè)操作可見(jiàn)，那么這兩個(gè)操作之間必須存在happens-before關(guān)系。這里的兩個(gè)操作可以是單線程也可以是多線程。

happens-before規(guī)則：

• 程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作，happens-before于該線程的任意后續(xù)操作。
• 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)于一個(gè)鎖的解鎖，happens-before于隨后對(duì)這個(gè)鎖的加鎖。
• volatile變量規(guī)則：對(duì)于一個(gè)volitale域的寫(xiě)，happens-before于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀。
• 傳遞性：如果A happens-before B，且B happens-before C ，那么A happens-before C。

注意：

兩個(gè)操作之間具有happens-before關(guān)系，并不意味著前一個(gè)操作必須在后一個(gè)操作之前執(zhí)行！happens-before僅僅要求前一個(gè)操作（執(zhí)行的結(jié)果）對(duì)后一個(gè)操作可見(jiàn)，且前一個(gè)操作按順序排在第二個(gè)操作之前（the first is visiable to and ordered beofre the second）。

圖示happens-before與JMM的關(guān)系：

一個(gè)happens-before規(guī)則對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)編譯器個(gè)處理器重排序規(guī)則。對(duì)于Java程序員來(lái)說(shuō)，happens-before規(guī)則簡(jiǎn)單易懂，它避免了Java程序員為了理解JMM提供的內(nèi)存可見(jiàn)性保證而去學(xué)習(xí)復(fù)雜的重排序規(guī)則以及這些規(guī)則的具體實(shí)現(xiàn)方法。

到此這篇關(guān)于Java并發(fā)編程之內(nèi)存模型的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java內(nèi)存模型內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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