Java内存模型简介

基本概念

1.主内存和本地内存

• 主内存,即main memory。在java中，实例域、静态域和数组元素是线程之间共享的数据，它们存储在主内存中。

• 本地内存（也称工作内存）, 即local(Working) memory。 局部变量，方法定义参数和异常处理器参数是不会在线程之间共享的，它们存储在线程的本地内存中。

2.重排序

重排序是指“编译器和处理器”为了提高性能，而在程序执行时会对程序指令进行的重新排序。 说明：重排序分为——“编译器”和“处理器”两个方面，而“处理器”重排序又包括“指令级重排序”和“内存的重排M序”。

编译期重排, 编译源代码时，编译器依据对上下文的分析，对指令进行重排序，以之更适合于CPU的并行执行。

运行期重排，CPU在执行过程中，动态分析依赖部件的效能，对指令做重排序优化。

关于重排序，我们需要理解它的思想：为了提高程序的并发度，从而提高性能！但是对于多线程程序，重排序可能会导致程序执行的结果不是我们需要的结果！因此，就需要我们通过“volatile，synchronize，锁等方式”作出正确的实现同步。

3.内存屏障

包括LoadLoad, LoadStore, StoreLoad, StoreStore共4种内存屏障。内存屏障是与相应的内存重排序相对应的。

作用：通过内存屏障可以禁止特定类型处理器的重排序，从而让程序按我们预想的流程去执行。

1. happens-before

JDK5(JSR-133)提供的概念，用于描述多线程操作之间的内存可见性。如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在happens-before关系。

作用：描述多线程操作之间的内存可见性。

• 程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens- before 于该线程中的任意后续操作。

• 监视器锁规则：对一个监视器锁的解锁，happens- before 于随后对这个监视器锁的加锁。

• volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens- before 于任意后续对这个volatile域的读。

• 传递性：如果A happens- before B，且B happens- before C，那么A happens- before C。

1. 数据依赖性

如果两个操作访问同一个变量，且这两个操作中有一个为写操作，此时这两个操作之间就存在数据依赖性。

作用：编译器和处理器不会对“存在数据依赖关系的两个操作”执行重排序。

6.as-if-serial

不管怎么重排序，程序的执行结果不能被改变。

7.顺序一致性内存模型

它是理想化的内存模型。有以下两个规则：

• 一个线程中的所有操作必须按照程序的顺序来执行。

• 所有线程都只能看到一个单一的操作执行顺序。在顺序一致性内存模型中，每个操作都必须原子执行且立刻对所有线程可见。

8.JMM

Java Memory Mode，即Java内存模型。它是Java线程之间通信的控制机制。

JMM对Java程序作出保证——如果程序是正确同步的，程序的执行将具有顺序一致性。即，程序的执行结果与该程序在顺序一致性内存模型中的执行结果相同。

9.可见性

可见性一般用于指不同线程之间的数据是否可见。

在java中， 实例域、静态域和数组元素这些数据是线程之间共享的数据，它们存储在主内存中；主内存中的所有数据对该内存中的线程都是可见的。而局部变量，方法定义参数 和 异常处理器参数这些数据是不会在线程之间共享的，它们存储在线程的本地内存中；它们对其它线程是不可见的。

此外，对于主内存中的数据，在本地内存中会对应的创建该数据的副本(相当于缓冲)；这些副本对于其它线程也是不可见的。

10.原子性

是指一个操作是按原子的方式执行的。要么该操作不被执行；要么以原子方式执行，即执行过程中不会被其它线程中断。

同步机制

1.volatile

作用

如果一个变量是volatile类型，则对该变量的读写就将具有原子性。如果是多个volatile操作或类似于volatile++这种复合操作，这些操作整体上不具有原子性。volatile变量自身具有下列特性：

• 可见性：此变量对所有线程可见。对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。

• 原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

volatile的内存语义

所有线程可见，禁止指令重排优化。

volatile写：当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存。

volatile读：当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

JMM中的实现方式

JMM针对编译器制定的volatile重排序规则表：

volatile和 synchronize对比

在功能上，监视器锁比volatile更强大；在可伸缩性和执行性能上，volatile更有优势。

volatile仅仅保证对单个volatile变量的读/写具有原子性；而synchronize锁的互斥执行的特性可以确保对整个临界区代码的执行具有原子性。

下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略：

在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。

在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。

在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。

在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

####2.锁

作用

锁是java并发编程中最重要的同步机制。

锁的内存语义

• 线程A释放一个锁，实质上是线程A向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了（线程A对共享变量所做修改的）消息。

• 线程B获取一个锁，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在释放这个锁之前对共享变量所做修改的）消息。

• 线程A释放锁，随后线程B获取这个锁，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。

JMM如何实现锁

公平锁

公平锁是通过“volatile”实现同步的。公平锁在释放锁的最后写volatile变量state；在获取锁时首先读这个volatile变量。根据volatile的happens-before规则，释放锁的线程在写volatile变量之前可见的共享变量，在获取锁的线程读取同一个volatile变量后将立即 变的对获取锁的线程可见。

非公平锁

通过CAS实现的，CAS就是compare and swap。CAS实际上调用的JNI函数，也就是CAS依赖于本地实现。以Intel来说，对于CAS的JNI实现函数，它保证：(01)禁止该CAS之前和之后的读和写指令重排序。(02)把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。

####3.final

特性

对于基本类型的final域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则：

• final写：“构造函数内对一个final域的写入”，与“随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量”，这两个操作之间不能重排序。

• final读：“初次读一个包含final域的对象的引用”，与“随后初次读对象的final域”，这两个操作之间不能重排序。

对于引用类型的final域，除上面两条之外，还有一条规则：

• final写：在“构造函数内对一个final引用的对象的成员域的写入”，与“随后在构造函数外把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量”，这两个操作之间不能重排序。

注意：

写final域的重排序规则可以确保：在引用变量为任意线程可见之前，该引用变量指向的对象的final域已经在构造函数中被正确初始化过了。其实要得到这个效果，还需要一个保证：在构造函数内部，不能让这个被构造对象的引用为其他线程可见，也就是对象引用不能在构造函数中“逸出”。

JMM如何实现final

通过“内存屏障”实现。

在final域的写之后，构造函数return之前，插入一个StoreStore障屏。在读final域的操作前面插入一个LoadLoad屏障。

###JMM总结

JMM保证：如果程序是正确同步的，程序的执行将具有顺序一致性 。

JMM设计

从JMM设计者的角度来说，在设计JMM时，需要考虑两个关键因素：

• 程序员对内存模型的使用。程序员希望内存模型易于理解，易于编程。程序员希望基于一个强内存模型(程序尽可能的顺序执行)来编写

• 编译器和处理器对内存模型的实现。编译器和处理器希望内存模型对它们的束缚越少越好，这样它们就可以做尽可能多的优化(对程序重排序，做尽可能多的并发)来提高性能。编译器和处理器希望实现一个弱内存模型。

JMM设计就需要在这两者之间作出协调。JMM对程序采取了不同的策略：

• 对于会改变程序执行结果的重排序，JMM要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。

• 对于不会改变程序执行结果的重排序，JMM对编译器和处理器不作要求（JMM允许这种重排序）。

###参考

1. 深入理解Java内存模型

2. 深入理解Java虚拟机