并发编程 (3)Java内存模型：看Java如何解决可见性和有序性问题

雨点打透心脏的1/2处 2023-06-20 06:04 26阅读 0赞

## 什么是 Java 内存模型？ ##

你已经知道，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**禁用缓存和编译优化**，但是这样问题虽然解决了，我们程序的性能可就堪忧了。

合理的方案应该是**按需禁用缓存以及编译优化**。那么，如何做到“按需禁用”呢？对于并发程序，何时禁用缓存以及编译优化只有程序员知道，那所谓“按需禁用”其实就是指按照程序员的要求来禁用。所以，为了解决可见性和有序性问题，只需要提供给程序员按需禁用缓存和编译优化的方法即可。

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**，这也正是本期的重点内容。

## 使用 volatile 的困惑 ##

volatile 关键字并不是 Java 语言的特产，古老的 C 语言里也有，它最原始的意义就是禁用 CPU 缓存。

例如，我们声明一个 volatile 变量 `volatile int x = 0`，它表达的是：告诉编译器，对这个变量的读写，不能使用 CPU 缓存，必须从内存中读取或者写入。这个语义看上去相当明确，但是在实际使用的时候却会带来困惑。

例如下面的示例代码，假设线程 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 是多少呢？

直觉上看，应该是 42，那实际应该是多少呢？这个要看 Java 的版本，如果在低于 1.5 版本上运行，x 可能是 42，也有可能是 0；如果在 1.5 以上的版本上运行，x 就是等于 42。

// 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？
        }
      }
    }

分析一下，为什么 1.5 以前的版本会出现 x = 0 的情况呢？我相信你一定想到了，变量 x 可能被 CPU 缓存而导致可见性问题。这个问题在 1.5 版本已经被圆满解决了。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？答案是一项 Happens-Before 规则。

## Happens-Before 规则 ##

如何理解 Happens-Before 呢？如果望文生义（很多网文也都爱按字面意思翻译成“先行发生”），那就南辕北辙了，Happens-Before 并不是说前面一个操作发生在后续操作的前面，它真正要表达的是：**前面一个操作的结果对后续操作是可见的**。就像有心灵感应的两个人，虽然远隔千里，一个人心之所想，另一个人都看得到。Happens-Before 规则就是要保证线程之间的这种“心灵感应”。所以比较正式的说法是：Happens-Before 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。

Happens-Before 规则应该是 Java 内存模型里面最晦涩的内容了，和程序员相关的规则一共有如下六项，都是关于可见性的。

恰好前面示例代码涉及到这六项规则中的前三项，为便于你理解，我也会分析上面的示例代码，来看看规则 1、2 和 3 到底该如何理解。至于其他三项，我也会结合其他例子作以说明。

### 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。这还是比较容易理解的，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。

（为方便你查看，我将那段示例代码在这儿再呈现一遍）

### 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。

这个就有点费解了，对一个 volatile 变量的写操作相对于后续对这个 volatile 变量的读操作可见，这怎么看都是禁用缓存的意思啊，貌似和 1.5 版本以前的语义没有变化啊？如果单看这个规则，的确是这样，但是如果我们关联一下规则 3，就有点不一样的感觉了。

### 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。

我们将规则 3 的传递性应用到我们的例子中，会发生什么呢？可以看下面这幅图：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Nvd2JpbjIwMTI_size_16_color_FFFFFF_t_70]

从图中，我们可以看到：

1.  “x=42” Happens-Before 写变量 “v=true” ，这是规则 1 的内容；
2.  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，这个在后面的内容中会详细介绍。

### 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。

synchronized (this) {  // 此处自动加锁
      // x 是共享变量, 初始值 =10
      if (this.x < 12) { 
        this.x = 12; 
      }  
    } // 此处自动解锁

所以结合规则 4——管程中锁的规则，可以这样理解：假设 x 的初始值是 10，线程 A 执行完代码块后 x 的值会变成 12（执行完自动释放锁），线程 B 进入代码块时，能够看到线程 A 对 x 的写操作，也就是线程 B 能够看到 x==12。这个也是符合我们直觉的，应该不难理解。

### 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。

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();

### 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，我们再从另外一个方面来看，有没有办法告诉编译器优化得更好一点呢？这个可以有，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 1.5 以前的版本的确优化得很努力，以至于都优化错了。

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。详细的案例可以参考[这个文档][Link 1]。

当然了，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。

“逸出”有点抽象，我们还是举个例子吧，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;
    }

## 总结 ##

Java 的内存模型是并发编程领域的一次重要创新，之后 C++、C\#、Golang 等高级语言都开始支持内存模型。Java 内存模型里面，最晦涩的部分就是 Happens-Before 规则了，Happens-Before 规则最初是在一篇叫做**Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System**的论文中提出来的，在这篇论文中，Happens-Before 的语义是一种因果关系。在现实世界里，如果 A 事件是导致 B 事件的起因，那么 A 事件一定是先于（Happens-Before）B 事件发生的，这个就是 Happens-Before 语义的现实理解。

在 Java 语言里面，Happens-Before 的语义本质上是一种可见性，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 A 事件发生在线程 1 上，B 事件发生在线程 2 上，Happens-Before 规则保证线程 2 上也能看到 A 事件的发生。

Java 内存模型主要分为两部分，一部分面向你我这种编写并发程序的应用开发人员，另一部分是面向 JVM 的实现人员的，我们可以重点关注前者，也就是和编写并发程序相关的部分，这部分内容的核心就是 Happens-Before 规则。相信经过本章的介绍，你应该对这部分内容已经有了深入的认识。

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[Link 1]: http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr-133-faq.html#finalWrong