【Java并发】二、JVM内存模型

比眉伴天荒 2022-04-16 05:23 161阅读 0赞

# JVM内存模型 #

### 文章目录 ###

*  JVM内存模型
 *   *  什么是Java内存模型
     *  线程之间的通信
     *  线程之间的同步
     *  JAVA的内存模型
     *   *  原子性
         *  指令重排
         *  可见性
         *  有序性
         *  JMM的解决方案
         *  内存屏障

## 什么是Java内存模型 ##

Java内存模型即`Java Memory Model`，简称`JMM`。JMM定义了Java 虚拟机(JVM)在计算机内存(RAM)中的工作方式。JVM是整个计算机虚拟模型，所以JMM是隶属于JVM的。

想要理解Java的并发机制，就必须先了解JMM，JMM的关键技术点都是围绕多线程的原子性、可见性和有序性建立起来的。

## 线程之间的通信 ##

想要控制线程之间的状态和先后顺序，线程之间需要通信，当自己占有临界资源时，告知别的线程挂起；当自己离开临界区时，唤醒别的线程。

*  共享内存：线程之间共享程序的公共状态，线程之间通过读写公共状态来隐式通信，比如通过共享对象通信；
 *  消息传递：线程之间没有公共状态，线程之间必须通过明确的消息发送来进行显示通信，比如Java里的`wait()`和`notify()`，[线程之间的通信（thread signal][thread signal]。

## 线程之间的同步 ##

同步是指在需要竞争的情况下，程序用于控制不同线程之间操作发生相对顺序的机制。

*  在共享内存并发模型中，同步是显式的。程序必须指定在何处需要线程互斥，比如Java中的同步方法、同步代码块等
 *  在消息传递的并发模型中，消息的发送和接收本来就有先后顺序，因此同步是隐式的。

## JAVA的内存模型 ##

Java的并发采用的是共享内存模型，JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见。线程本地内存和主内存之间的抽象关系为：线程之间的共享变量存储在主内存中，每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存中存储了主内存中共享变量的副本，线程中的读写操作都是对副本的操作，JMM决定何时将副本替换到主内存中。

这种模型是一个抽象概念，并不是真实存在的，[全面理解Java内存模型(JMM)及volatile关键字][Java_JMM_volatile]

### 原子性 ###

原子操作是不可中断的，也就是说是互斥的，即使是多个线程一起执行同一个原子操作，一旦某个线程已经开始，就不会受到别的线程的干扰。

### 指令重排 ###

*  编译器优化的重排：编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。比如对不同变量的赋值操作，虽然在单线程中对不同变量赋值的结果是顺序无关的，编译器可以任意指定顺序，但是在多线程中，多个线程对同一个共享变量赋值，就会导致变量的结果出现无法预测的情况；
 *  指令并行的重排：现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性(即后一个执行的语句无需依赖前面执行的语句的结果)，处理器可以改变语句对应的机器指令的执行顺序。CPU指令是按流水线技术来执行的，但是一旦因为某些原因出现流水终端，比如操作数还没准备好，那么所有硬件设备就会停止一个或者多个周期，会造成CPU性能下降，指令重排可以优化这种中断，可以在中断时把后面与这个指令无关的指令先执行，等到下一个周期再执行中断的指令，如果中断的指令还没有准备好，那继续执行后面的指令，直到中断的指令可以执行。单线程的情况下没有问题，因为可以确定各个指令在线程内是否相关，但是对于多线程的情况，无法确定指令间是否相关，因此可能导致错误的执行顺序；
 *  内存系统的重排：由于处理器使用缓存和读写缓存冲区，这使得加载(load)和存储(store)操作看上去可能是在乱序执行，因为三级缓存的存在，导致内存与缓存的数据同步存在时间差。

### 可见性 ###

可见性指的是当一个线程修改了某个共享变量的值，其他线程是否能够马上得知这个修改的值。单线程没有可见性的说法，但是多线程因为上面的指令重排、Java的共享变量操作机制等，可能会导致执行混乱，一个线程取到的主内存共享变量值可能并不是最新的值，各个线程中的本地内存副本对别的线程并不可见，因为存在本地内存和主内存同步的延迟，可见性也是一个问题

### 有序性 ###

和可见性类似，单线程的代码执行都是按照程序执行顺序来的，但因为指令重排、主内存和本地内存的同步延迟，导致多线程之间的执行顺序看起来是无序的。

### JMM的解决方案 ###

*  JVM自身提供了一套对基本数据类型读写操作的原子性；
 *  `synchronized`或`ReentrantLock`保证方法或代码块级别的原子性；
 *  `volatile`和`synchronized`可以保证共享变量的可见性，`synchronized`是通过原子性保证读写操作之间没有延迟，但`volatile`修饰的共享变量是保证该 共享变量对所有线程是可见的，当一个线程要读取共享变量时，JMM会强行让线程内本地内存中的副本无效，直接到主内存中读取；当一个线程要写共享变量时，JMM会把对应的本地内存副本值刷入主内存当中。此外`volatile`变量还可以禁止指令重排，但不能保证原子性。
 *  `happens-before`原则保证多线程环境下两个操作间的原子性、可见性以及有序性，如果处处都需要通过显示地指定，那开发将非常麻烦，JMM有一个`happens-before`来辅助保证程序执行的原子性、可见性以及有序性的问题：
    
     *  程序顺序原则，即在一个线程内必须保证语义串行性，也就是说按照代码顺序执行。
     *  锁规则 解锁(unlock)操作必然发生在后续的同一个锁的加锁(lock)之前，也就是说，如果对于一个锁解锁后，再加锁，那么加锁的动作必须在解锁动作之后(同一个锁)。
     *  volatile规则 volatile变量的写，先发生于读，这保证了volatile变量的可见性，简单的理解就是，volatile变量在每次被线程访问时，都强迫从主内存中读该变量的值，而当该变量发生变化时，又会强迫将最新的值刷新到主内存，任何时刻，不同的线程总是能够看到该变量的最新值。
     *  线程启动规则 线程的start()方法先于它的每一个动作，即如果线程A在执行线程B的start方法之前修改了共享变量的值，那么当线程B执行start方法时，线程A对共享变量的修改对线程B可见
     *  传递性 A先于B ，B先于C 那么A必然先于C
     *  线程终止规则 线程的所有操作先于线程的终结，Thread.join()方法的作用是等待当前执行的线程终止。假设在线程B终止之前，修改了共享变量，线程A从线程B的join方法成功返回后，线程B对共享变量的修改将对线程A可见。
     *  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()方法检测线程是否中断。
     *  对象终结规则 对象的构造函数执行，结束先于finalize()方法

### 内存屏障 ###

真正实现禁止指令重排的，是内存屏障，它的作用是在两个指令间插入一条Memory Barrier，告诉编译器和CPU，不管什么指令都不能和这条Memory Barrier重排，也就保证了顺序执行。

[thread signal]: https://blog.csdn.net/suifeng3051/article/details/51863010?locationNum=2
[Java_JMM_volatile]: https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72772461