Java解决可见性和有序性问题---Java内存模型

谁践踏了优雅 2023-06-10 05:28 28阅读 0赞

本文来自《Java并发编程实战》的第二篇《Java内存模型：看Java如何解决可见性和有序性问题》，主要介绍了Java如何通过内存模型解决上篇文章中提到的可见性和有序性问题。更多文章查看：[Java并发学习记录总目录][Java]

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Java主要依靠**Java内存模型**来解决并发编程中的并发问题（可见性，有序性）。Java内存模型（**JMM，Java Memory Model**），跟**JVM**是不一样的。具体不同可参考：[JVM内存结构 VS Java内存模型 VS Java对象模型][JVM_ VS Java_ VS Java]。

### 什么是Java内存模型？ ###

在上篇文章，我们讲述了**导致可见性的原因是缓存，导致有序性的原因是编译优化**。那解决可见性、有序性最直接的办法就是**按需禁用缓存以及编译优化**。按需禁用就是指程序员按照自己的需求，禁用缓存和编译优化。Java 内存模型是个很复杂的规范，可以从不同的视角来解读，站在我们这些程序员的视角，本质上可以理解为，Java 内存模型规范了 JVM 如何提供按需禁用缓存和编译优化的方法。具体来说，这些方法包括 **volatile**、**synchronized** 和 **final** 三个关键字，以及六项 **Happens-Before** 规则。

**使用 volatile 的困惑**

volatole关键字很多语言中多有，它最原始的意义是禁用CPU缓存。被volatile修饰的变量，读写时，不能使用CPU缓存，必须从内存中读取或者写入。在JDK 1.5 之前，没有Happens-Before，使用volatitle时还可能出现CPU导致的可见性问题，例如：

// 以下代码来源于【参考1】
    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？
        }
      }
    }

当线程A执行了writer()，线程B执行reader(),当线程A将V=true写入内存，线程B看到的x可能为0（CPU未将值写入内存或因为CPU缓存），可能为42（CPU将值写入内存或因为CPU缓存）。这个结果是完全随机的。但是在JDK 1.5以后，Java内存模型对volatile进行了增强，通过**Happens-Before**保证了多线程访问的安全性。

**Happens-Before 规则**

Happens-Before指：**前面一个操作的结果对后续操作是可见的。**A Happens-Before B说明A的操作对B来说是可见的。这个规则优化了编译器的优化行为：例如语句重排等。下面解释一下程序员要知道的六项规则。

1. 程序的顺序性规则

这条规则是指在一个线程中，按照程序顺序，前面的操作 Happens-Before 于后续的任意操作。比如刚才那段示例代码，按照程序的顺序，第 6 行代码 “x = 42;” Happens-Before 于第 7 行代码 “v = true;”，这就是规则 1 的内容，也比较符合单线程里面的思维：程序前面对某个变量的修改一定是对后续操作可见的。

2. volatile 变量规则

这条规则是指对一个 volatile 变量的写操作， Happens-Before 于后续对这个 volatile 变量的读操作。结合下面第三条规则。

3. 传递性这条规则

是指如果 A Happens-Before B，且 B Happens-Before C，那么 A Happens-Before C。如下图，根据规则一，x = 42 Happens-Before 写v=true，根据第二条规则知道线程A的写v=true Happens-Before 线程B的读v=true ，根据规则三，x= 42 Happens-Before 读v=true

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4. 管程中锁的规则

这条规则是指对一个锁的解锁 Happens-Before 于后续对这个锁的加锁。要理解这个规则，就首先要了解“管程指的是什么”。管程是一种通用的同步原语，在 Java 中指的就是 synchronized，synchronized 是 Java 里对管程的实现。管程中的锁在 Java 里是隐式实现的，例如下面的代码，在进入同步块之前，会自动加锁，而在代码块执行完会自动释放锁，加锁以及释放锁都是编译器帮我们实现的。

Thread B = new Thread(()->{
      // 主线程调用B.start()之前
      // 所有对共享变量的修改，此处皆可见
      // 此例中，var==77
    });
    // 此处对共享变量var修改
    var = 77;
    // 主线程启动子线程
    B.start();

5. 线程 start() 规则

这条是关于线程启动的。它是指主线程 A 启动子线程 B 后，子线程 B 能够看到主线程在启动子线程 B 前的操作。换句话说就是，如果线程 A 调用线程 B 的 start() 方法（即在线程 A 中启动线程 B），那么该 start() 操作 Happens-Before 于线程 B 中的任意操作。具体可参考下面示例代码。

6. 线程 join() 规则

这条是关于线程等待的。它是指主线程 A 等待子线程 B 完成（主线程 A 通过调用子线程 B 的 join() 方法实现），当子线程 B 完成后（主线程 A 中 join() 方法返回），主线程能够看到子线程的操作。当然所谓的“看到”，指的是对共享变量的操作。换句话说就是，如果在线程 A 中，调用线程 B 的 join() 并成功返回，那么线程 B 中的任意操作 Happens-Before 于该 join() 操作的返回。具体可参考下面示例代码。

Thread B = new Thread(()->{
      // 此处对共享变量var修改
      var = 66;
    });
    // 例如此处对共享变量修改，
    // 则这个修改结果对线程B可见
    // 主线程启动子线程
    B.start();
    B.join()
    // 子线程所有对共享变量的修改
    // 在主线程调用B.join()之后皆可见
    // 此例中，var==66

**被我们忽视的 final**

前面我们讲 volatile 为的是禁用缓存以及编译优化，有没有办法告诉编译器优化得更好一点呢？有，就是 final 关键字。**final 修饰变量时，初衷是告诉编译器：这个变量生而不变，可以可劲儿优化。**Java 编译器在 JDK 1.5 以前的版本有可能优化错了。问题类似于上一期提到的利用双重检查方法创建单例，构造函数的**错误重排**导致线程可能看到 final 变量的值会变化。

在 1.5 以后 Java 内存模型对 final 类型变量的重排进行了约束。现在只要我们提供正确构造函数没有“逸出”，就不会出问题了。举个例子吧，在下面例子中，在构造函数里面将 this 赋值给了全局变量 global.obj，这就是“逸出”，线程通过 global.obj 读取 x 是有可能读到 0 的。因此我们一定要避免“逸出”。

// 以下代码来源于【参考1】
    final int x;
    // 错误的构造函数
    public FinalFieldExample() { 
      x = 3;
      y = 4;
      // 此处就是讲this逸出，
      global.obj = this;
    }

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个人思考：Java内存模型主要解决了在多核cpu和多线程情况下，不同缓存，寄存中的共享数据是否可见的问题，以及编译时期的编译结果的顺序问题，主要是针对可见性和有序性。与JVM不同的是，JVM内存模型主要解决数据在内存中的位置问题。

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。

[Java]: https://blog.csdn.net/chenzz2560/article/details/102712193
[JVM_ VS Java_ VS Java]: https://mp.weixin.qq.com/s/mJVkLn2I1O7V8jvxc_Z4zw
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