Java内存模型(JMM)详解

2019-01-20 本文已影响40人 oneape15

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本文约4千字，预计花费15分钟阅读完~~
本文内容比较枯燥，但如果你能认认真真的看完，那你对Java内存模型将会有更深入的了解~~~

概述

多任务处理是现代计算机操作系统中必备的一项技能，在许多情况下，让计算机同时去处理几件事，不仅是因为其运算能力强大，还有一个很重要的原因是计算机的运算速度与它的存储和通讯子系统速度的差距太大，其实大部分时间都花在了磁盘IO、网络通讯和数据访问上。
如果我们不希望处理器大部分时间都在等待其他资源时，就必须使用一些手段去把处理器的运算能力压榨出来，否则就造成了很大的浪费，那么让计算机同时处理几项任务就是最容易想到的。
让计算机并发执行若干个运算任务与更充分地利用计算机处理器的效能之间的因果关系，从上面的论调上看起来顺理成章，但实际上并没有想象中的那么容易实现，因为所有的运算任务都不可能只靠处理器计算就能完成，至少与内存的交互，如读取运算数据、存储运算结果等，就是很难消除的。
由于计算机的存储设备与处理器的运算速度之间有着几个数量级的差距，所以现代计算机系统都加入了一层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存(Cache)来作为内存与处理器之间的缓存：将运算需要使用到的数据复制到缓存中，让运算能快速进行，当运算结束后再从缓存同步回内存之中，就样处理器就无须等待缓慢的内存读写了。
基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾，但是也引入了新的问题：缓存一致性(Cache Coherence)。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的高速缓存，面它们又共享同一主内存(Main Memory)。如下图：

处理器、高速缓存、主内存间的交互关系
当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时，将可能导致各自的缓存数据不致的情况，如果真的发生这种情况，那同步回到主内存时以谁的缓存数据为准？为了解决一致性的问题，需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议，在读写时要根据协议来进行操作，这类协议有MSI,MESI(Illinois Protocol),MOSI,Synapse,Firefly及Dragon Protocol等等。
Java虚拟机内存模型中定义的内存访问操作与硬件的缓存访问操作是具有可比性的。

除此之外，为了使得处理器内部的运算单元尽量补充分利用，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一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，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。与处理器的乱序执行优化类似的，Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序（Instruction Reorder）优化。

Java内存模型

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型（Java Memory Model，JMM）来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的并发效果。
在此之前，主流程序语言（如C/C++等）直接使用物理硬件，因此，会由于不同平台上内存模型的差异，导致程序在一套平台上并发完全正常，而在另一套平台上并发访问却经常出错，因此经常需要针对不同的平台来编写程序。
定义Java内存模型并非一件容易的事情，这个模型必须定义得足够严谨，才能让Java的并发操作不会产生歧义；但是，也必须定义得足够宽松，使得虚拟机的实现能有足够的自由空间去利用硬件的各种特性（寄存器、高速缓存等）来获取更好的执行速度。
经过长时间的验证和修补，在JDK1.5之后，Java的内存模型就已经成熟和完善起来了。

主内存与工作内存

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个变量的访问规则，即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。这里的变量（Variable）与Java编程中所说的变量略有区别，这里说的变量包含了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但不包括局部变量与方法参数，因为局部变量与方法参数是线程私有的，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。
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调整代码执行顺序这类的权利。
Java内存模型规定了所有变量都存储在主内存（Main Memory）中（这里的主内存仅是虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory，可与前面所讲的处理器高速缓存类比），线程的工作内存中保存了使用变量的主内存副本，线程对变量的操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，不能直接读写主内存中的变量。
不同上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内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下图：

线程、主内存、工作内存三者的交互关系
我们可以看到，Java内存模型与硬件的内存模型是具有很大的相似度的。

内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节，Java内存模型中定义了以下八种操作完成：

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，释放后的变量才可能被其他线程锁定。
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入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，它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟朵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，那就要按顺序地执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要按顺序执行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，而没有保证必须是连续执行的。也就是说read与load之间、store与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，一种可能出现的顺序是read a、read b、load b、 load a。

Java内存操作的规定

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地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的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。
一个变量在同一个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，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。
如果对一个变量执行lock操作，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，需要重新执行load或assign操作初始化变量的值。
如果一个变量事先没有被lock操作锁定，则不允许对它执行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，必须把此变量同步回主内存中（执行store和write操作）。

对于volatile型变量的特殊规则

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。Java内存模型对volatile专门定义了一些特殊的访问规则。
当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两种特性：

保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。

由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们依然要通过加锁来保证原子性。

运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。

变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。
如下代码示例就很适合volatile变量来控制并发
volatile boolean isShutdown;
public void shutdown() {
 isShutdown = true
}

public void doWork() {
   while(!isShutdown) {
       // do something
   }
}

禁止指令重排序优化，普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。

volatile性能

volatile同步机制的性能要优于锁（使用synchronized关键字或java.util.concurrent包里面的锁）;
volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别，但是写操作则可能会慢上一些，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障（Memory Barrier 或Memory Fence）指令来保证处理器不发生乱序。

对于long和double型变量的特殊规则

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store和write这八个操作都具有原子性，但是对于64位的数据类型（long和double），在模型中特别定义一条宽松的规定：允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行，也就是允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这四个操作的原子性。
如果有多个线程共享一个并未声明为volatile的long或double类型的变量，并且同时对它们进行读取和修改操作，那么某些线程可能会读取到一个即非原值，也不是其他线程修改值的代表了半个变量的数值。
不过这种读取到半个变量的情况非常罕见，因为Java内存模型虽然允许虚拟机不把long和double变量的读写实现成原子操作，但允许虚拟机把这些操作实现为具有原子性的操作，而且还强烈建议虚拟机这样实现。
目前各种估测下的商用虚拟机几乎都选择把64位数据的读写操作作为原子操作对待，因此我们在编码是不需要将long和double变量专门声明为volatile。

原子性、可见性与有序性

Java内存模型是围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的，我们逐个来看一下哪些操作实现了这三个特性。

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、assign、use、store和write这六个，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。如果需要一个更大范围的原子性保证，sychronized关键字同步块提供了这类操作（隐式插入字节码指令monitorenter和monitorexit）。
可见性（Visibility） - 可见性就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。上面我们已经讲过了volatile具有这个能力，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（synchronized）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，那么其他线程中就能看到final字段的值。
有序性（Ordering） - Java内存模型的有序性已经在前面讲解volatile时详细讨论过了，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，所有的操作都是无序的。前半句是指线程内表现为串行的语义，后半句是指指令重排现象和工作内存与主内存同步延迟现象。

PS: 通过上面我们发现synchronized关键字在需要这三种特性时都可以作为其中一种的解决方案，看起来很万能，这也是间接造就它被滥用的局面。

先行发生原则

如果Java内存模型中所有的有序性都只能靠volatile和synchronized来完成，那么有些操作将会变得很啰嗦，但是我们在编写Java并发代码时并没有感觉到这一点，这是因为Java语言中有一个先行发生（happens-before）的原则。
这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的主要依据。
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，它们就没有顺序性保障，虚拟机可以对它们进行随意重排序。

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。
管和锁定规则（Monitor Lock Rule） - 一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。
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。
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、ThreadisAlive()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。