一篇文章告诉你什么是Java内存模型

短命女 2024-03-16 17:50 64阅读 0赞

## 定义 ##

在单线程系统中，代码按照顺序`从上往下`顺序执行，执行不会出现问题。比如一下代码：

int a = 1;
    int b = 2;
    int c = a + b;

程序从上往下执行，最终`c`的结果一定会是`3`。

但是在多线程环境中，代码就不一定会顺序执行了。代码的运行结果也有不确定性。在开发中，自己本地没问题，一行行查看代码也没有问题，但是在高并发的生产环境就会出现违背常理的问题。

多线程系统提升性能有如下几个优化：

*  单核的`cpu`改成多核的`cpu`，每个`cpu`都有自己的缓存。
 *  多个线程可以在`cpu`线程切换。
 *  代码可能根据编译优化，更新代码的位置。

这些优化会导致`可见性`、`原子性`以及`有序性`问题，为了解决上述问题，`Java`内存模型应运而生。

**`Java`内存模型是定义了`Java`程序在多线程环境中，访问共享内存和内存同步的规范，规定了线程之间的交互方式，以及线程与主内存、工作内存的的数据交换。**

## Java内存模型解决并发 ##

导致可见性的原因的是缓存，导致有序性的问题是编译优化，那解决可见性、有序性问题就是禁用缓存和编译优化。这样虽然解决了并发问题，但是性能却下降了。

合理的方案就是**按需求禁用缓存和编译优化**，在需要的地方添加对应的编码即可。Java内存模型规范了JVM如何按需禁用缓存和编译优化，具体包括`volatile`、`synchronized`、`final`这几个关键字，以及`Happens-Before`规则。

### 可见性问题 ###

在多核`cpu`操作系统中每次`cpu`都有自己的缓存，`cpu`先从内存获取数据，再进行运算。比如下图中线程A和线程B，分别运行自己的`cpu`，然后从内存获取变量到自己的`cpu`缓存中，并进行计算。

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线程B改变了变量之后，线程A是无法获取到最新的值。以下代码中，启动两个线程，线程启动完线程A，循环获取变量，如果是`true`,一直执行循环，直到被改成`false`才跳出循环,然后再延迟`1s`启动线程B，线程修改变量值为`true`:

private static boolean flag = true;
    
    // 线程A一直读取变量flag，直到变量为false，才跳出循环
    class ThreadA extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (flag) {
                // flag 为 true，一直读取flag字段，flag 为 false 时跳出来。
                //System.out.println("一直在读------" + flag);
            }
            System.out.println("thread - 1 跳出来了");
        }
    }
    // 1s 后线程B将变量改成 false
    class ThreadB extends Thread {
    
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("thread-2 run");
            flag = false;
            System.out.println("flag 改成 false");
        }
    }
    
    @Test
    public void test2() throws InterruptedException {
        new Thread1().start();
        // 暂停一秒，保证线程1 启动并运行
        Thread.sleep(1000);
        new Thread2().start();
    }

运行结果：

thread-2 run
    flag 改成 false

线程A一直处于运行中，说明线程B修改后的变量，线程A并未知道。

将`flag`变量添加`volatile`声明，修改成：

private static volatile boolean  flag = true;

再运行程序，运行结果：

thread-2 run
    flag 改成 false
    thread - 1 跳出来了

线程B运行完后，线程A也跳出了循环。说明修改了变量后，其他线程也能获取最新的值。

> 一个未声明`volatile`的变量，都是从各自的`cpu`缓存获取数据，线程更新数据之后，其他线程无法获取最新的值。而使用`volatile`声明的变量，**表明禁用缓存，更新数据直接更新到内存中，每次获取数据都是直接内存获取最新的数据**。线程之间的数据都是相互可见的。

可见性来自`happens-before`规则,`happens-before`用来描述两个操作的内存可见性，如操作A`happens-before`操作B,那么A的结果对于B是可见的，**前面的一个操作结果对后续操作是可见的**。`happens-before`定义了以下几个规则：

*  解锁操作`happens-before`同一把锁的加锁操作。
 *  volatile 字段的写操作`happens-before`同一字段的读操作。
 *  线程的启动操作`happens-before`该线程的第一个操作。
 *  A`happens-before`B，且B`happens-before`C，那么A`happens-before`C。`happens-before`具有传递性。

## 有序性问题 ##

先看一个反常识的例子：

int a=0, b=0;
    public void method1() {
        b = 1;
        int r2 = a; 
    }
    
    public void method2() {
        a = 2; 
        int r1 = b; 
    }

定义了两个共享变量`a`和`b`，以及两个方法。第一个方法将共享变量`b`赋值为`1` ，然后将局部变量`r2`赋值为`a`。第二个方法将共享变量`a`赋值为`2`，然后将局部变量`r1`赋值为`b`。

在单线程环境下，我们可以先调用第一个方法`method1`，再调用`method2`方法，最终得到`r1`、`r2`的值分别为`1,0`。也可以先调用`method2`，最后得到`r1`、`r2`的值分别为`0,2`。

如果代码没有依赖关系，`JVM`编译优化可以对他们随意的`重排序`,比如`method1`方法没有依赖关系，进行重排序：

int a=0, b=0;
    public void method1() {
        int r2 = a; 
        b = 1;
    }
    
    public void method2() { 
        int r1 = b; 
        a = 2;
    }

此时在多线程环境下，两个线程交替运行`method1`和`method2`方法：

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重排序后`r1`、`r2`分别是`0`,`0`。

那如何解决重排序的问题呢？答案就是将变量声明为`volatile`，比如`a`或者`b`变量声明`volatile`。比如`b`声明为`volatile`，此时`b`的赋值操作要`happens-before` `r1`的赋值操作。

int a=0；
    volatile int b=0;
    public void method1() {
        int r2 = a; 
        b = 1;
    }
    
    public void method2() { 
        int r1 = b; 
        a = 2;
    }

同一个线程顺序也满足`happens-before`关系以及传递性，可以得到`r2`的赋值`happens-before` `a`的赋值。也就表明对`a`赋值时，`r2`已经完成赋值了。也就不可能出现`r1`、`r2`为`0`、`0`的结果。

## 内存模型的底层实现 ##

`Java`内存模型是通过`内存屏障`来实现`禁用缓存`和和`禁用重排序`。

内存屏障会禁用缓存，在内存写操作时，强制刷新写缓存，将数据同步到内存中，数据的读取直从内存中读取。

内存屏障会限制重排序操作，当一个变量声明`volatile`，它就插入了一个内存屏障，`volatile`字段之前的代码只能在之前进行重排序，它之后的代码只能在之后进行重排序。

## 总结 ##

`Java`内存模型（Java Memory Model，JMM）定义了`Java`程序中多线程之间共享变量的访问规则，以及线程之间的交互行为。它规定了线程如何与主内存和工作内存交互，以确保多线程程序的可见性、有序性和一致性。

*  可见性：使用`volatile`声明变量，数据读取直接从内存中读取，更新也是强制刷新缓存，并同步到主内存中。
 *  有序性：使用`volatile`声明变量，确保编译优化不会重排序该字段。
 *  Happens-Before: **前面一个操作的结果对后续操作是可见的**，

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