2021-03-05 分類: 網(wǎng)站建設(shè)
前提
《深入理解 Java 內(nèi)存模型》程曉明著,該書在以前看過一遍,現(xiàn)在學(xué)的東西越多,感覺那塊越重要,于是又再細(xì)看一遍,于是便有了下面的讀書筆記總結(jié)。全書頁數(shù)雖不多,內(nèi)容講得挺深的。細(xì)看的話,也是挺花時(shí)間的,看完收獲絕對挺大的。也 基礎(chǔ)
在并發(fā)編程需要處理的兩個(gè)關(guān)鍵問題是:線程之間如何通信和線程之間如何同步。
通信是指線程之間以何種機(jī)制來交換信息。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。
在共享內(nèi)存的并發(fā)模型里,線程之間共享程序的公共狀態(tài),線程之間通過寫-讀內(nèi)存中的公共狀態(tài)來隱式進(jìn)行通信。
在消息傳遞的并發(fā)模型里,線程之間沒有公共狀態(tài),線程之間必須通過明確的發(fā)送消息來顯式進(jìn)行通信。
同步是指程序用于控制不同線程之間操作發(fā)生相對順序的機(jī)制。
在共享內(nèi)存的并發(fā)模型里,同步是顯式進(jìn)行的。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。
在消息傳遞的并發(fā)模型里,由于消息的發(fā)送必須在消息的接收之前,因此同步是隱式進(jìn)行的。
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)通信過程對程序員完全透明。
在 Java 中,所有實(shí)例域、靜態(tài)域 和 數(shù)組元素存儲在堆內(nèi)存中,堆內(nèi)存在線程之間共享。局部變量、方法定義參數(shù) 和 異常處理器參數(shù) 不會在線程之間共享,它們不會有內(nèi)存可見性問題,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 決定了一個(gè)線程對共享變量的寫入何時(shí)對另一個(gè)線程可見。從抽象的角度來看,JMM 定義了線程與主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系:線程之間的共享變量存儲在主內(nèi)存中,每一個(gè)線程都有一個(gè)自己私有的本地內(nèi)存,本地內(nèi)存中存儲了該變量以讀/寫共享變量的副本。本地內(nèi)存是 JMM 的一個(gè)抽象概念,并不真實(shí)存在。
JMM 抽象示意圖:
從上圖來看,如果線程 A 和線程 B 要通信的話,要如下兩個(gè)步驟:
1、線程 A 需要將本地內(nèi)存 A 中的共享變量副本刷新到主內(nèi)存去
2、線程 B 去主內(nèi)存讀取線程 A 之前已更新過的共享變量
步驟示意圖:
舉個(gè)例子:
本地內(nèi)存 A 和 B 有主內(nèi)存共享變量 X 的副本。假設(shè)一開始時(shí),這三個(gè)內(nèi)存中 X 的值都是 0。線程 A 正執(zhí)行時(shí),把更新后的 X 值(假設(shè)為 1)臨時(shí)存放在自己的本地內(nèi)存 A 中。當(dāng)線程 A 和 B 需要通信時(shí),線程 A 首先會把自己本地內(nèi)存 A 中修改后的 X 值刷新到主內(nèi)存去,此時(shí)主內(nèi)存中的 X 值變?yōu)榱?1。隨后,線程 B 到主內(nèi)存中讀取線程 A 更新后的共享變量 X 的值,此時(shí)線程 B 的本地內(nèi)存的 X 值也變成了 1。
整體來看,這兩個(gè)步驟實(shí)質(zhì)上是線程 A 再向線程 B 發(fā)送消息,而這個(gè)通信過程必須經(jīng)過主內(nèi)存。JMM 通過控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互,來為 Java 程序員提供內(nèi)存可見性保證。
在執(zhí)行程序時(shí)為了提高性能,編譯器和處理器常常會對指令做重排序。重排序分三類:
1、編譯器優(yōu)化的重排序。編譯器在不改變指令級并行的重排序?,F(xiàn)代處理器采用了指令級并行技術(shù)來將多條指令重疊執(zhí)行。如果不存在數(shù)據(jù)依賴性,處理器可以改變語句對應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。
3、內(nèi)存系統(tǒng)的重排序。由于處理器使用緩存和讀/寫緩沖區(qū),這使得加載和存儲操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。
從 Java 源代碼到最終實(shí)際執(zhí)行的指令序列,會分別經(jīng)歷下面三種重排序:
上面的這些重排序都可能導(dǎo)致多線程程序出現(xiàn)內(nèi)存可見性問題。對于編譯器,JMM 的編譯器重排序規(guī)則會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要禁止)。對于處理器重排序,JMM 的處理器重排序規(guī)則會要求 Java 編譯器在生成指令序列時(shí),插入特定類型的內(nèi)存屏障指令,通過內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序(不是所有的處理器重排序都要禁止)。
JMM 屬于語言級的內(nèi)存模型,它確保在不同的編譯器和不同的處理器平臺之上,通過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)存可見性保證。
現(xiàn)代的處理器使用寫緩沖區(qū)來臨時(shí)保存向內(nèi)存寫入的數(shù)據(jù)。寫緩沖區(qū)可以保證指令流水線持續(xù)運(yùn)行,它可以避免由于處理器停頓下來等待向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的延遲。同時(shí),通過以批處理的方式刷新寫緩沖區(qū),以及合并寫緩沖區(qū)中對同一內(nèi)存地址的多次寫,可以減少對內(nèi)存總線的占用。雖然寫緩沖區(qū)有這么多好處,但每個(gè)處理器上的寫緩沖區(qū),僅僅對它所在的處理器可見。這個(gè)特性會對內(nèi)存操作的執(zhí)行順序產(chǎn)生重要的影響:處理器對內(nèi)存的讀/寫操作的執(zhí)行順序,不一定與內(nèi)存實(shí)際發(fā)生的讀/寫操作順序一致!
舉個(gè)例子:
假設(shè)處理器A和處理器B按程序的順序并行執(zhí)行內(nèi)存訪問,最終卻可能得到 x = y = 0。具體的原因如下圖所示:
處理器 A 和 B 同時(shí)把共享變量寫入在寫緩沖區(qū)中(A1、B1),然后再從內(nèi)存中讀取另一個(gè)共享變量(A2、B2),最后才把自己寫緩沖區(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 的結(jié)果。
從內(nèi)存操作實(shí)際發(fā)生的順序來看,直到處理器 A 執(zhí)行 A3 來刷新自己的寫緩存區(qū),寫操作 A1 才算真正執(zhí)行了。雖然處理器 A 執(zhí)行內(nèi)存操作的順序?yàn)椋篈1 -> A2,但內(nèi)存操作實(shí)際發(fā)生的順序卻是:A2 -> A1。此時(shí),處理器 A 的內(nèi)存操作順序被重排序了。
這里的關(guān)鍵是,由于寫緩沖區(qū)僅對自己的處理器可見,它會導(dǎo)致處理器執(zhí)行內(nèi)存操作的順序可能會與內(nèi)存實(shí)際的操作執(zhí)行順序不一致。由于現(xiàn)代的處理器都會使用寫緩沖區(qū),因此現(xiàn)代的處理器都會允許對寫-讀操作重排序。
為了保證內(nèi)存可見性,Java 編譯器在生成指令序列的適當(dāng)位置會插入內(nèi)存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。JMM 把內(nèi)存屏障指令分為下列四類:
如果兩個(gè)操作訪問同一個(gè)變量,且這兩個(gè)操作中有一個(gè)為寫操作,此時(shí)這兩個(gè)操作之間就存在數(shù)據(jù)依賴性。數(shù)據(jù)依賴分下列三種類型:
名稱 | 代碼示例 | 說明 |
---|---|---|
寫后讀 | a = 1; b = a; | 寫一個(gè)變量之后,再讀這個(gè)位置。 |
寫后寫 | a = 1; a = 2; | 寫一個(gè)變量之后,再寫這個(gè)變量。 |
讀后寫 | a = b; b = 1; | 讀一個(gè)變量之后,再寫這個(gè)變量。 |
上面三種情況,只要重排序兩個(gè)操作的執(zhí)行順序,程序的執(zhí)行結(jié)果將會被改變。
前面提到過,編譯器和處理器可能會對操作做重排序。編譯器和處理器在重排序時(shí),會遵守?cái)?shù)據(jù)依賴性,編譯器和處理器不會改變存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的兩個(gè)操作的執(zhí)行順序。
注意,這里所說的數(shù)據(jù)依賴性僅針對單個(gè)處理器中執(zhí)行的指令序列和單個(gè)線程中執(zhí)行的操作,不同處理器之間和不同線程之間的數(shù)據(jù)依賴性不被編譯器和處理器考慮。
as-if-serial 語義的意思指:不管怎么重排序(編譯器和處理器為了提高并行度),(程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變。編譯器,runtime 和處理器都必須遵守 as-if-serial 語義。
為了遵守 as-if-serial 編譯器和處理器不會對存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的操作做重排序,因?yàn)檫@種重排序會改變執(zhí)行結(jié)果。但是如果操作之間沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系,這些操作就可能被編譯器和處理器重排序。
舉個(gè)例子:
1double pi = 3.14; //A2double r = 1.0; //B3double area = pi * r * r; //C
上面三個(gè)操作的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系如下圖所示:
如上圖所示,A 和 C 之間存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系,同時(shí) B 和 C 之間也存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。因此在最終執(zhí)行的指令序列中,C 不能被重排序到 A 和 B 的前面(C 排到 A 和 B 的前面,程序的結(jié)果將會被改變)。但 A 和 B 之間沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系,編譯器和處理器可以重排序 A 和 B 之間的執(zhí)行順序。下圖是該程序的兩種執(zhí)行順序:
舉例:
1class Demo {2 int a = 0;3 boolean flag = false;45 public void write {6 a = 1; //17 flag = true; //28 }910 public void read {11 if(flag) { //312 int i = a * a; //413 }14 }15}
由于操作 1 和 2 沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系,編譯器和處理器可以對這兩個(gè)操作重排序;操作 3 和操作 4 沒有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系,編譯器和處理器也可以對這兩個(gè)操作重排序。
1、當(dāng)操作 1 和操作 2 重排序時(shí),可能會產(chǎn)生什么效果?
如上圖所示,操作 1 和操作 2 做了重排序。程序執(zhí)行時(shí),線程 A 首先寫標(biāo)記變量 flag,隨后線程 B 讀這個(gè)變量。由于條件判斷為真,線程 B 將讀取變量 a。此時(shí),變量 a 還根本沒有被線程 A 寫入,在這里多線程程序的語義被重排序破壞了!
2、當(dāng)操作 3 和操作 4 重排序時(shí)會產(chǎn)生什么效果(借助這個(gè)重排序,可以順便說明控制依賴性)。
在程序中,操作 3 和操作 4 存在控制依賴關(guān)系。當(dāng)代碼中存在控制依賴性時(shí),會影響指令序列執(zhí)行的并行度。為此,編譯器和處理器會采用猜測(Speculation)執(zhí)行來克服控制相關(guān)性對并行度的影響。以處理器的猜測執(zhí)行為例,執(zhí)行線程 B 的處理器可以提前讀取并計(jì)算 a * a,然后把計(jì)算結(jié)果臨時(shí)保存到一個(gè)名為重排序緩沖(reorder buffer ROB)的硬件緩存中。當(dāng)接下來操作 3 的條件判斷為真時(shí),就把該計(jì)算結(jié)果寫入變量 i 中。
從圖中我們可以看出,猜測執(zhí)行實(shí)質(zhì)上對操作3和4做了重排序。重排序在這里破壞了多線程程序的語義!
順序一致性內(nèi)存模型有兩大特性:
一個(gè)線程中的所有操作必須按照程序的順序來執(zhí)行。
(不管程序是否同步)所有線程都只能看到一個(gè)單一的操作執(zhí)行順序。在順序一致性內(nèi)存模型中,每個(gè)操作都必須原子執(zhí)行且立刻對所有線程可見。
順序一致性內(nèi)存模型為程序員提供的視圖如下:
在概念上,順序一致性模型有一個(gè)單一的全局內(nèi)存,這個(gè)內(nèi)存通過一個(gè)左右擺動(dòng)的開關(guān)可以連接到任意一個(gè)線程,同時(shí)每一個(gè)線程必須按照程序的順序來執(zhí)行內(nèi)存讀/寫操作。從上面的示意圖我們可以看出,在任意時(shí)間點(diǎn)最多只能有一個(gè)線程可以連接到內(nèi)存。當(dāng)多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行時(shí),圖中的開關(guān)裝置能把所有線程的所有內(nèi)存讀/寫操作串行化。
舉個(gè)例子:
假設(shè)有兩個(gè)線程 A 和 B 并發(fā)執(zhí)行。其中 A 線程有三個(gè)操作,它們在程序中的順序是:A1 -> A2 -> A3。B 線程也有三個(gè)操作,它們在程序中的順序是:B1 -> B2 -> B3。
假設(shè)這兩個(gè)線程使用監(jiān)視器鎖來正確同步:A 線程的三個(gè)操作執(zhí)行后釋放監(jiān)視器鎖,隨后 B 線程獲取同一個(gè)監(jiān)視器鎖。那么程序在順序一致性模型中的執(zhí)行效果將如下圖所示:
現(xiàn)在我們再假設(shè)這兩個(gè)線程沒有做同步,下面是這個(gè)未同步程序在順序一致性模型中的執(zhí)行示意圖:
未同步程序在順序一致性模型中雖然整體執(zhí)行順序是無序的,但所有線程都只能看到一個(gè)一致的整體執(zhí)行順序。以上圖為例,線程 A 和 B 看到的執(zhí)行順序都是:B1 -> A1 -> A2 -> B2 -> A3 -> B3。之所以能得到這個(gè)保證是因?yàn)轫樞蛞恢滦詢?nèi)存模型中的每個(gè)操作必須立即對任意線程可見。
但是,在 JMM 中就沒有這個(gè)保證。未同步程序在 JMM 中不但整體的執(zhí)行順序是無序的,而且所有線程看到的操作執(zhí)行順序也可能不一致。比如,在當(dāng)前線程把寫過的數(shù)據(jù)緩存在本地內(nèi)存中,在還沒有刷新到主內(nèi)存之前,這個(gè)寫操作僅對當(dāng)前線程可見;從其他線程的角度來觀察,會認(rèn)為這個(gè)寫操作根本還沒有被當(dāng)前線程執(zhí)行。只有當(dāng)前線程把本地內(nèi)存中寫過的數(shù)據(jù)刷新到主內(nèi)存之后,這個(gè)寫操作才能對其他線程可見。在這種情況下,當(dāng)前線程和其它線程看到的操作執(zhí)行順序?qū)⒉灰恢隆?/p>
下面我們對前面的示例程序用鎖來同步,看看正確同步的程序如何具有順序一致性。
請看下面的示例代碼:
1class demo {2 int a = 0;3 boolean flag = false;45 public synchronized void write { //獲取鎖6 a = 1;7 flag = true;8 } //釋放鎖910 public synchronized void read { //獲取鎖11 if(flag) {12 int i = a;13 }14 } //釋放鎖15}
上面示例代碼中,假設(shè) A 線程執(zhí)行 write 方法后,B 線程執(zhí)行 reade 方法。這是一個(gè)正確同步的多線程程序。根據(jù)JMM規(guī)范,該程序的執(zhí)行結(jié)果將與該程序在順序一致性模型中的執(zhí)行結(jié)果相同。下面是該程序在兩個(gè)內(nèi)存模型中的執(zhí)行時(shí)序?qū)Ρ葓D:
在順序一致性模型中,所有操作完全按程序的順序執(zhí)行。而在 JMM 中,臨界區(qū)內(nèi)的代碼可以重排序(但 JMM 不允許臨界區(qū)內(nèi)的代碼“逸出”到臨界區(qū)之外,那樣會破壞監(jiān)視器的語義)。JMM 會在退出臨界區(qū)和進(jìn)入臨界區(qū)這兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)做一些特別處理,使得線程在這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)具有與順序一致性模型相同的內(nèi)存視圖。雖然線程 A 在臨界區(qū)內(nèi)做了重排序,但由于監(jiān)視器的互斥執(zhí)行的特性,這里的線程 B 根本無法“觀察”到線程 A 在臨界區(qū)內(nèi)的重排序。這種重排序既提高了執(zhí)行效率,又沒有改變程序的執(zhí)行結(jié)果。
從這里我們可以看到 JMM 在具體實(shí)現(xiàn)上的基本方針:在不改變(正確同步的)程序執(zhí)行結(jié)果的前提下,盡可能的為編譯器和處理器的優(yōu)化打開方便之門。
未同步程序在 JMM 中的執(zhí)行時(shí),整體上是無序的,其執(zhí)行結(jié)果無法預(yù)知。未同步程序在兩個(gè)模型中的執(zhí)行特性有下面幾個(gè)差異:
順序一致性模型保證JMM 不保證對 64 位的 long 型和 double 型變量的讀/寫操作具有原子性,而順序一致性模型保證對所有的內(nèi)存讀/寫操作都具有原子。
第三個(gè)差異與處理器總線的工作機(jī)制密切相關(guān)。在計(jì)算機(jī)中,數(shù)據(jù)通過總線在處理器和內(nèi)存之間傳遞。每次處理器和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳遞都是通過總線事務(wù)來完成的??偩€事務(wù)包括讀事務(wù)和寫事務(wù)。讀事務(wù)從內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)到處理器,寫事務(wù)從處理器傳遞數(shù)據(jù)到內(nèi)存,每個(gè)事務(wù)會讀/寫內(nèi)存中一個(gè)或多個(gè)物理上連續(xù)的字??偩€會同步試圖并發(fā)使用總線的事務(wù)。在一個(gè)處理器執(zhí)行總線事務(wù)期間,總線會禁止其它所有的處理器和 I/O 設(shè)備執(zhí)行內(nèi)存的讀/寫。
總線的工作機(jī)制:
如上圖所示,假設(shè)處理器 A、B、和 C 同時(shí)向總線發(fā)起總線事務(wù),這時(shí)總線仲裁會對競爭作出裁決,假設(shè)總線在仲裁后判定處理器 A 在競爭中獲勝(總線仲裁會確保所有處理器都能公平的訪問內(nèi)存)。此時(shí)處理器 A 繼續(xù)它的總線事務(wù),而其它兩個(gè)處理器則要等待處理器 A 的總線事務(wù)完成后才能開始再次執(zhí)行內(nèi)存訪問。假設(shè)在處理器 A 執(zhí)行總線事務(wù)期間(不管這個(gè)總線事務(wù)是讀事務(wù)還是寫事務(wù)),處理器 D 向總線發(fā)起了總線事務(wù),此時(shí)處理器 D 的這個(gè)請求會被總線禁止。
總線的這些工作機(jī)制可以把所有處理器對內(nèi)存的訪問以串行化的方式來執(zhí)行;在任意時(shí)間點(diǎn),最多只能有一個(gè)處理器能訪問內(nèi)存。這個(gè)特性確保了單個(gè)總線事務(wù)之中的內(nèi)存讀/寫操作具有原子性。
在一些 32 位的處理器上,如果要求對 64 位數(shù)據(jù)的寫操作具有原子性,會有比較大的開銷。為了照顧這種處理器,Java 語言規(guī)范鼓勵(lì)但不強(qiáng)求 JVM 對 64 位的 long 型變量和 double 型變量的寫具有原子性。當(dāng) JVM 在這種處理器上運(yùn)行時(shí),會把一個(gè) 64 位 long/ double 型變量的寫操作拆分為兩個(gè) 32 位的寫操作來執(zhí)行。這兩個(gè) 32 位的寫操作可能會被分配到不同的總線事務(wù)中執(zhí)行,此時(shí)對這個(gè) 64 位變量的寫將不具有原子性。
當(dāng)單個(gè)內(nèi)存操作不具有原子性,將可能會產(chǎn)生意想不到后果。請看下面示意圖:
如上圖所示,假設(shè)處理器 A 寫一個(gè) long 型變量,同時(shí)處理器 B 要讀這個(gè) long 型變量。處理器 A 中 64 位的寫操作被拆分為兩個(gè) 32 位的寫操作,且這兩個(gè) 32 位的寫操作被分配到不同的寫事務(wù)中執(zhí)行。同時(shí)處理器 B 中 64 位的讀操作被分配到單個(gè)的讀事務(wù)中執(zhí)行。當(dāng)處理器 A 和 B 按上圖的時(shí)序來執(zhí)行時(shí),處理器 B 將看到僅僅被處理器 A “寫了一半“的無效值。
注意,在 JSR -133 之前的舊內(nèi)存模型中,一個(gè) 64 位 long/ double 型變量的讀/寫操作可以被拆分為兩個(gè) 32 位的讀/寫操作來執(zhí)行。從 JSR -133 內(nèi)存模型開始(即從JDK5開始),僅僅只允許把一個(gè) 64 位 long/ double 型變量的寫操作拆分為兩個(gè) 32 位的寫操作來執(zhí)行,任意的讀操作在JSR -133中都必須具有原子性(即任意讀操作必須要在單個(gè)讀事務(wù)中執(zhí)行)。
舉個(gè)例子:
1public class VolatileTest {2 volatile long a = 1L; // 使用 volatile 聲明 64 位的 long 型34 public void set(long l) {5 a = l; //單個(gè) volatile 變量的寫6 }78 public long get {9 return a; //單個(gè) volatile 變量的讀10 }1112 public void getAndIncreament {13 a++; // 復(fù)合(多個(gè)) volatile 變量的讀 /寫14 }15}
假設(shè)有多個(gè)線程分別調(diào)用上面程序的三個(gè)方法,這個(gè)程序在語義上和下面程序等價(jià):
1public class VolatileTest {2 long a = 1L; // 64 位的 long 型普通變量34 public synchronized void set(long l) { //對單個(gè)普通變量的寫用同一個(gè)鎖同步5 a = l;6 }78 public synchronized long get { //對單個(gè)普通變量的讀用同一個(gè)鎖同步9 return a;10 }1112 public void getAndIncreament { //普通方法調(diào)用13 long temp = get; //調(diào)用已同步的讀方法14 temp += 1L; //普通寫操作15 set(temp); //調(diào)用已同步的寫方法16 }17}
如上面示例程序所示,對一個(gè) volatile 變量的單個(gè)讀/寫操作,與對一個(gè)普通變量的讀/寫操作使用同一個(gè)鎖來同步,它們之間的執(zhí)行效果相同。
鎖的 h對一個(gè) volatile 變量的讀,總是能看到(任意線程)對這個(gè) volatile 變量最后的寫入。
鎖的語義決定了臨界區(qū)代碼的執(zhí)行具有原子性。這意味著即使是 64 位的 long 型和 double 型變量,只要它是 volatile變量,對該變量的讀寫就將具有原子性。如果是多個(gè) volatile 操作或類似于 volatile++ 這種復(fù)合操作,這些操作整體上不具有原子性。
簡而言之,volatile 變量自身具有下列特性:
可見性。對一個(gè) volatile 變量的讀,總是能看到(任意線程)對這個(gè) volatile 變量最后的寫入。
原子性:對任意單個(gè) volatile 變量的讀/寫具有原子性,但類似于 volatile++ 這種復(fù)合操作不具有原子性。
當(dāng)寫一個(gè) volatile 變量時(shí),JMM 會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存。
當(dāng)讀一個(gè) volatile 變量時(shí),JMM 會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效。線程接下來將從主內(nèi)存中讀取共享變量。
假設(shè)上面的程序 flag 變量用 volatile 修飾
下面是 JMM 針對編譯器制定的 volatile 重排序規(guī)則表:
為了實(shí)現(xiàn) volatile 的內(nèi)存語義,編譯器在生成字節(jié)碼時(shí),會在指令序列中插入內(nèi)存屏障來禁止特定類型的處理器重排序。
下面是基于保守策略的 JMM 內(nèi)存屏障插入策略:
在每個(gè) volatile 寫操作的前面插入一個(gè) StoreStore 屏障。
在每個(gè) volatile 寫操作的后面插入一個(gè) StoreLoad 屏障。
在每個(gè) volatile 讀操作的后面插入一個(gè) LoadLoad 屏障。
在每個(gè) volatile 讀操作的后面插入一個(gè) LoadStore 屏障。
下面是保守策略下,volatile 寫操作 插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列示意圖:
下面是在保守策略下,volatile 讀操作 插入內(nèi)存屏障后生成的指令序列示意圖:
上述 volatile 寫操作和 volatile 讀操作的內(nèi)存屏障插入策略非常保守。在實(shí)際執(zhí)行時(shí),只要不改變 volatile 寫-讀的內(nèi)存語義,編譯器可以根據(jù)具體情況省略不必要的屏障。
當(dāng)線程釋放鎖時(shí),JMM 會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存中。
當(dāng)線程獲取鎖時(shí),JMM 會把該線程對應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效。從而使得被監(jiān)視器保護(hù)的臨界區(qū)代碼必須要從主內(nèi)存中去讀取共享變量。
如果我們仔細(xì)分析 concurrent 包的源代碼實(shí)現(xiàn),會發(fā)現(xiàn)一個(gè)通用化的實(shí)現(xiàn)模式:
首先,聲明共享變量為 volatile;
然后,使用 CAS 的原子條件更新來實(shí)現(xiàn)線程之間的同步;
同時(shí),配合以 volatile 的讀/寫和 CAS 所具有的 volatile 讀和寫的內(nèi)存語義來實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。
AQS,非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和原子變量類(java.util.concurrent.atomic 包中的類),這些 concurrent 包中的基礎(chǔ)類都是使用這種模式來實(shí)現(xiàn)的,而 concurrent 包中的高層類又是依賴于這些基礎(chǔ)類來實(shí)現(xiàn)的。從整體來看,concurrent 包的實(shí)現(xiàn)示意圖如下:
對于 final 域,編譯器和處理器要遵守兩個(gè)重排序規(guī)則:
在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)對一個(gè) final 域的寫入,與隨后把這個(gè)被構(gòu)造對象的引用賦值給一個(gè)引用變量,這兩個(gè)操作之間不能重排序。
初次讀一個(gè)包含 final 域的對象的引用,與隨后初次讀這個(gè) final 域,這兩個(gè)操作之間不能重排序。
寫 final 域的重排序規(guī)則禁止把 final 域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。這個(gè)規(guī)則的實(shí)現(xiàn)包含下面2個(gè)方面:
JMM 禁止編譯器把 final 域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。
編譯器會在 final 域的寫之后,構(gòu)造函數(shù) return 之前,插入一個(gè) StoreStore 屏障。這個(gè)屏障禁止處理器把 final 域的寫重排序到構(gòu)造函數(shù)之外。
在一個(gè)線程中,初次讀對象引用與初次讀該對象包含的 final 域,JMM 禁止處理器重排序這兩個(gè)操作(注意,這個(gè)規(guī)則僅僅針對處理器)。編譯器會在讀 final 域操作的前面插入一個(gè) LoadLoad 屏障。
對于引用類型,寫 final 域的重排序規(guī)則對編譯器和處理器增加了如下約束:
在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)對一個(gè) final 引用的對象的成員域的寫入,與隨后在構(gòu)造函數(shù)外把這個(gè)被構(gòu)造對象的引用賦值給一個(gè)引用變量,這兩個(gè)操作之間不能重排序。
JMM 是一個(gè)語言級的內(nèi)存模型,處理器內(nèi)存模型是硬件級的內(nèi)存模型,順序一致性內(nèi)存模型是一個(gè)理論參考模型。下面是語言內(nèi)存模型,處理器內(nèi)存模型和順序一致性內(nèi)存模型的強(qiáng)弱對比示意圖:
Java 程序的內(nèi)存可見性保證按程序類型可以分為下列三類:
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網(wǎng)站題目:深入理解 Java 內(nèi)存模型
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