Java内存模型与线程

一、QA

计算机硬件中高速缓存的作用是什么？

• 内存读写速度与处理器运算速度相比有几个数量级的差距，所以现代计算机都会在处理器与内存之间加入高速缓存来作为内存与处理器之间的缓冲：将运算需要使用到的数据复制到高速缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从高速缓存同步到内存中，这样处理器就无需等待缓慢的内存读写了。

在处理器与内存之间加入高速缓存会出现什么问题，这个问题又是怎么解决的？

• 会出现缓存一致性问题，因为每个处理器都有自己的高速缓存，而它们又共享同一主内存，当多个处理器的运算任务都涉及到同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不一致，那么再次同步回主内存时，不知道哪个高速缓存中的数据是正确的。

• 为了解决一致性问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写的时候需要根据协议来进行操作。

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什么是内存模型？

• 内存模型可以理解为在特定操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。

为什么要定义Java内存模型？它的定义的什么？

• 为了屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让java程序员在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。
• 它主要定义了程序中各种变量的访问规则，这里的变量指的是实例字段、静态字段和构成数组对象的元素。为了获得较好的执行效能，java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互，也没有限制即时编译器进行调整代码执行顺序这类优化措施。

不同硬件与操作系统的内存访问是有差异的，但有了JVM这一层适配，做到了java程序在各种平台都能达到一致的内存访问效果。JVM之所以能够做好内存访问的适配，是因为Java内存模型（JMM）定义了内存访问规则。

Java内存模型中主内存与工作内存的关系是什么？

• 所有变量都存储在主内存。

• 每条线程还有自己的工作内存。

• 线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝。（不会有虚拟机的实现把整个对象拷贝一份）

• 线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量。（即使是volatile变量也存在内存的拷贝，它只是看起来像是直接读写主内存）

• 不同线程之间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内存来完成。

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主内存与工作内存的具体交互协议是什么？

• java内存模型定义了以下8种操作来完成一个变量从主内存拷贝到工作内存和从工作内存同步回主内存之间的实现细节。虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外）。

  • lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。
  • unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，是释放后的变量才可以被其他线程锁定。
  • read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。
  • load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放到工作内存的变量副本中。
  • use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
  • assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把从执行引擎接收到的值赋给工作内存中的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
  • store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。
  • write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

• 如果要把一个变量从主内存复制到工作内存，那就要顺序地执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要顺序地执行store和write操作。注意，java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，而没有保证是连续执行。也就是说，read和load之间、store和write之间是可插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现顺序是：read a、read b、load b、load a。除此之外，java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：

  • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者从工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。
  • 不允许一个线程丢弃它的最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。
  • 不允许一个线程无原因的（没有发生过任何assign操作）把数据从线程工作内存同步回主内存。
  • 一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或assign）的变量，换句话说，就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行过了assign和load操作。
  • 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
  • 如果一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新load或assign操作初始化变量的值。
  • 如果一个变量实现没有被lock操作锁定，那就不允许对它进行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。
  • 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（执行store、write操作）。

• 对volatile型变量的特殊规则

  假定T表示一个线程，V和W分别表示两个volatile型变量，那么在进行read、load、use、assign、store和write操作时需要满足如下规则：

  • 只有当线程T对变量V执行的前一个动作是load的时候，线程T才能对变量V执行use动作；并且，只有当线程T对变量V执行的后一个动作是use的时候，线程T才能对变量V执行load操作。线程T对变量V的use动作可以认为是和线程T对变量V的load、read动作相关联，必须连续出现（这条规则要求在工作内存中，每次使用V前都必须先从主内存刷新最新的值，用于保证能看见其他线程对变量V所作的修改后的值）。
  • 只有当线程T对变量V执行的前一个动作是assign的时候，线程T才能对变量V执行store动作；并且，之后当线程T对变量V执行的后一个动作是store的时候，线程T才能对变量V执行assign动作。线程T对变量V的assign动作可以认为是和线程T对变量V的stored、write动作相关联，必须连续一起出现（这条规则要求在工作内存中，每次修改V后都必须立刻同步回主内存中，用于保证其他线程可以看到自己对变量V所做的修改）；
  • 假定动作A是线程T对变量V实施use或assign动作，假定动作F是和动作A相关联的load或store动作，假定动作P是和动作F相应的对变量V的read或write动作；类似的，假定动作B是线程T对变量W实施的use或assign动作，假定动作G是和动作B相关联的load或store动作，假定动作Q是和动作G相应的对变量W的read或write动作。如果A先于B，那么P先于Q（这条规则要求volatile修饰的变量不会被指定重排序优化，保证代码的执行顺序与程序的顺序相同）。

• 8种内存访问操作、这些操作的规则限定和volatile的一些特殊规定，就已经完全确定了java程序中哪些内存访问操作在并发下是安全的。由于这种定义相当严谨和烦琐，所以还有一个和这种定义等效的判断原则——先行发生原则（happen-before），用来确定一个访问在并发环境下是否安全。

volatile的作用是什么？

什么是happens-before原则？

它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据，依靠这个原则，我们可以通过几条规则一揽子地解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题。

先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，如果说操作A先行发生与操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被B观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。

下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系，这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在，可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列，并且无法从下列规则推导出来的话，他们就没有顺序性保障，虚拟机可以对他们随意地进行重排序。

• 程序次序规则（Program Order Rule）：在一个线程内，按照程序代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说，应该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”是指时间上的先后顺序。
• 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顺序。
• 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Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。
• 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Thread.interrupted()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。

举一个先行发生原则的例子

private int value = 0；
public void setValue(int value) {
    this.value = value;
}
public int getValue() {
    return value;
}

假设存在线程A和线程B，线程A先（时间上）调用了setValue(1)，然后线程B调用了同一个对象的getValue()，那么线程B收到的返回值是什么？

• 由于两个方法分别有线程A和线程B调用，不在一个线程中，所以程序次序规则在这里不适用；
• 由于没有同步块，自然就不会发生lock和unlock操作，所以管程锁定规则不适用；
• 由于value变量没有被volatile关键字修饰，所以volatile变量规则不适用；
• 后面的线程启动、终止、中断规则和对象终结规则也和这里没有关系；
• 因为没有一个适合的先行发生规则，所以最后一条传递性也无从谈起。

因此我们可以判定尽管线程A在操作时间上先于线程B，但是无法确定线程B中getValue的返回结果，换句话说，这里面的操作不是线程安全的。

那么怎么修复这个问题呢？我们至少有两种比较简单的方案可以选择：

• 要么把getter/setter方法都定义为synchronized方法，这样就可以套用管程锁定规则
• 要么把value定义为volatile变量，由于setter方法对value的修改不依赖value的原值，满足volatile关键字使用场景，这样就可以套用volatile变量规则来实现先行发生关系。

结论：一个操作“时间上的先发生”不代表这个操作会是“先行发生”，那如果一个操作“先行发生”是否就能推导出这个操作必须是“时间上的先发生”呢？很遗憾，这个推论也不成立，一个典型的例子就是“指令重排序”。

// 以下操作在同一个线程中执行
int i = 1;
int j = 2;

上面的代码中，两条赋值语句在同一个线程中，根据程序次序规则，int i = 1的操作先行发生于int j = 2，但是int j = 2的代码完全可能先被处理器执行，这并不影响先行发生原则的正确性，因为我们在这条线程之中没有办法感知这点。

上面两个例子综合起来证明了一个结论：时间上先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系，所以我们衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰，一切必须以先行发生原则为准。

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这3个特征来建立的，那么哪些操作实现了这3个特征？

• 原子性（Atomicity）：

  • 由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、use、store和write，我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的（除了long和double的非原子性协定）。

  • 如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证，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。

• 可见性（Visibility）：

  • 可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即得知这个修改。上文在讲解volatile变量的时候我们已详细讨论过这一点。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，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，即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（执行store、write操作）”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），那在其他线程中就能看见final字段的值。

• 有序性（Ordering）：

  • Java内存模型的有序性在前面讲解volatile时也详细地讨论过了，Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。前半句是指“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics），后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

  • Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义，而synchronized则是由“一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的，这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

二、其他

• 绝大多数的运算任务都不可能只靠处理器“计算”就能完成，处理器至少要与内存交互，如读取运算数据、存储运算结果等，这个IO操作是很难消除的（无法仅靠寄存器来完成所有运算任务）。

• 处理器高速缓存的缓存一致性协议有 MSI、MESI、MOSI、Synapse、Firefly 和 Dragon Protocol 等。

• 除了增加高速缓存之外，为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行（out-of-order Execution）优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，因此如果存在一个计算任务依赖另一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。

• 主内存就直接对应于物理硬件的内存，而为了获取更好的运行速度，虚拟机（甚至是硬件系统本身的优化措施）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读写的是工作内存。