java内存模型的理解

news2024/12/26 10:48:15

java内存模型的理解

  • 并发问题产生的源头
    • 缓存导致的可见性问题
    • 线程切换导致的原子性问题
    • 编译优化带来的有序性问题
    • 小结
  • Java内存模型: 解决可见性和有序性问题
    • Java内存模型与JVM内存模型的区别
    • volatile关键字
    • Happens-Before规则
    • 小结
    • 思考题
  • 参考

并发问题产生的源头

缓存导致的可见性问题

可见性定义: 一个线程对共享变量的修改,另外一个线程能够立刻看到,我们称为可见性。

在单核CPU时代,所有线程都是被同一个CPU调度,因此共享同一块cpu的缓存,不存在缓存一致性问题：
在这里插入图片描述
多核CPU时代，每个线程都有可能同时被不同的cpu调度，每个cpu都有各自的缓存，并且读写优先走缓存，这就会导致缓存一致性问题:

在这里插入图片描述
高速缓存和主内存之间如何保持数据一致性

线程切换导致的原子性问题

CPU能保证的原子操作是CPU指令级别的，高级语言里一条语句往往需要多条 CPU 指令完成，例如:count += 1，至少需要三条 CPU 指令：
在这里插入图片描述

编译优化带来的有序性问题

有序性指的是程序按照代码的先后顺序执行。编译器为了优化性能，有时候会改变程序中语句的先后顺序，从而导致意外的bug。

最常见的例子就是双重锁检查创建单例对象了:

public class Singleton {
  static Singleton instance;
  static Singleton getInstance(){
    if (instance == null) {
      synchronized(Singleton.class) {
        if (instance == null)
          instance = new Singleton();
        }
    }
    return instance;
  }
}

new创建对象在java中分为三步:

  • 分配一块内存 M；
  • 在内存 M 上初始化 Singleton 对象；
  • 然后 M 的地址赋值给 instance 变量。

但是如果编译器进行了指令重排序优化，变成了下面这样:

  • 分配一块内存 M；
  • 将 M 的地址赋值给 instance 变量；
  • 最后在内存 M 上初始化 Singleton 对象。

在下面场景中，线程B访问未初始化过的instance,可能会触发空指针异常:
在这里插入图片描述

小结

java并发编程问题三大根本来源: 可见性,原子性,有序性

  • 缓存导致的可见性问题
  • 线程切换导致的原子性问题
  • 编译优化导致的有序性问题

Java内存模型: 解决可见性和有序性问题

Java内存模型与JVM内存模型的区别

  1. Java内存模型定义了一套规范，能使JVM按需禁用cpu缓存和禁止编译优化。这套规范包括对volatile, synchronized, final三个关键字的解析，和7个Happen-Before规则。

  2. JVM内存模型是指程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈，堆，方法区这5和要素。

volatile关键字

volatile在c语言中最原始的含义就是禁用cpu缓存,volatile修饰符表达的是: 对某个变量的读写,不能使用cpu缓存，必须从内存中读取或者写入。

大家看下面这个例子: 线程A执行writer方法,按照volatile语义，会把变量v=true写入内存，假设线程B执行reader方法，同样按照volatile语义，线程B会从内存中读取变量v, 如果线程B看到v==true时，那么线程B看到的变量x的值是多少呢？

class VolatileExample {
  int x = 0;
  volatile boolean v = false;
  public void writer() {
    x = 42;
    v = true;
  }
  public void reader() {
    if (v == true) {
      // 这里x会是多少呢？
    }
  }
}

答案:

  • jdk 1.5之前，x可能是42，也可能是0 ，因为变量x可能被cpu缓存而导致可见性问题
  • jdk 1.5之后, x就是等于42。因为java内存模型在1.5版本对volatile语义进行了增强

怎么增强的呢？

  • happens-before规则

Happens-Before规则

Happens-Before规则：前面一个操作的结果对后续操作是可见的；

Happens-Before规则约束了编译器的优化行为，虽允许编译器优化，但是要求编译器优化后一定遵守Happens-Before规则。

具体规则如下:

  1. 程序的顺序性规则：在一个线程中，前面的操作Happens-Before于后续的任意操作。
  2. volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作Happens-Before于对这个volatile变量的读操作。
  3. 传递性规则：A Happens-Before B，B Happens-Before C，那么A Happens-Before C。
    在这里插入图片描述

从图中，我们可以看到：

  • “x=42” Happens-Before 写变量 “v=true” ，这是规则 1 的内容；
  • 写变量“v=true” Happens-Before 读变量 “v=true”，这是规则 2 的内容 。

再根据这个传递性规则，我们得到结果：“x=42” Happens-Before 读变量“v=true”。这意味着什么呢？如果线程 B 读到了“v=true”，那么线程 A 设置的“x=42”对线程 B 是可见的。也就是说，线程 B 能看到 “x == 42” ，有没有一种恍然大悟的感觉？这就是 1.5 版本对 volatile 语义的增强，这个增强意义重大，1.5 版本的并发工具包（java.util.concurrent）就是靠 volatile 语义来搞定可见性的。

  1. 管程中锁的规则：synchronized是Java对管程的实现，隐式加锁、释放锁，对一个锁的解锁Happens-Before于后续对这个锁的加锁。
  2. 线程start()规则：主线程A启动子线程B后，start()操作 Happens-Before于子操作中的任意操作。
  3. 线程join规则：在线程A中调用线程B的join()并返回，线程B中的任意操作 Happens-Before于join()的返回。
  4. 线程中断规则：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。
  5. 对象终结规则：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。

上述很多规则都需要配合传递性规则进行理解。

小结

Java内存模型涉及的几个关键词：锁、volatile字段、final修饰符与对象的安全发布。

  • 第一是锁，锁操作是具备happens-before关系的，解锁操作happens-before之后对同一把锁的加锁操作。实际上，在解锁的时候，JVM需要强制刷新缓存，使得当前线程所修改的内存对其他线程可见。
  • 第二是volatile字段，volatile字段可以看成是一种不保证原子性的同步但保证可见性的特性，其性能往往是优于锁操作的。但是，频繁地访问 volatile字段也会出现因为不断地强制刷新缓存而影响程序的性能的问题。
  • 第三是final修饰符，final修饰的实例字段则是涉及到新建对象的发布问题。当一个对象包含final修饰的实例字段时，其他线程能够看到已经初始化的final实例字段，这是安全的。

Java内存模型底层怎么实现的？

  • 主要是通过内存屏障(memory barrier)禁止重排序的，即时编译器根据具体的底层体系架构，将这些内存屏障替换成具体的 CPU 指令。对于编译器而言，内存屏障将限制它所能做的重排序优化。而对于处理器而言，内存屏障将会导致缓存的刷新操作。比如，对于volatile，编译器将在volatile字段的读写操作前后各插入一些内存屏障。

在java中，Happens-Before规则本质还是一种可见性，A Happens-Before B,意味着A事件对B事件来说是可见的，无论A事件和B事件是否发生在同一个线程里，例如: 事件A发生在线程1，事件B发生在线程2，Happens-Before规则保证线程2上也能看到A事件的发送。

思考题

还是文中给出的案例，大家思考会不会产生x=42和v=true重排序，导致线程B读取到x=0的结果呢?

class VolatileExample {
  int x = 0;
  volatile boolean v = false;
  
  public void writer() {
    x = 42;
    v = true;
  }
  
  public void reader() {
    if (v == true) {
      // 这里x会是多少呢？
    }
  }
  
}

解答:

  • 程序顺序性规则是针对单线程的。如果只考虑单线程，那么编译器可以对范例代码进行指令重排优化。但是对于多线程，volatile 变量规则、传递性这 2 条规则，就附加了新的限制。对于多线程，这 3 条 happens-before 规则要求，线程 B 在读到 v = true 的时候，也能见到 x = 42。如果编译器仍然按照单线程的情况，对这两条语句进行指令重排，把 v = true 放到 x = 42 之前。那么，线程 B 就有可能看不到 x 的值为 42。这显然违背了 happens-before 的规定。编译器为了符合规则，只能不进行指令重排优化了。
  • 为了符合 happens-before 规定，对于示例代码，编译器不能进行指令重排的编译优化。但实际上，仅仅不进行指令重排编译优化，并不能保证编译后的代码的执行结果，符合 happnes-before 规定。因为指令重排这一优化措施，并不仅仅是编译器会做。现代 cpu 在执行机器指令的时候，同样会做指令重排的优化。所以，如果 cpu 在执行机器指令时，发生了机器指令的重排序。上述实例代码的结果，仍然有机会不符合 happens-before 规定。
  • 为了令到编译后的代码的执行结果，能够符合 happens-before 规定。编译器除了不能做指令重排序编译优化之外，还要在生成的机器代码中。加入特定 cpu 指令，令到 cpu 只会执行完这条特定指令之后，才会执行后续的其它机器指令。而这种特定指令，是通过建立 “内存屏障” 来禁止 cpu 的指令重排序的。那为什么叫 “内存屏障” 呢？可以理解为一种特殊指令，要求 cpu 把缓存数据写回到主内存中。这就像在内存中建立了一道屏障，令到后面的代码不能越过屏障，提前执行。

jmm 是一个规范，它用于指导编译器的行为。但它本身不会限制编译器所使用的具体编译技术。所以，在 jmm 规范中，不会提到 “指令重排” 或者 "内存屏障” 这些具体的实现技术。这是我们在学习规范类知识的时候，需要注意的。

参考

JAVA并发编程实战

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