Java 内存模型详解

原文:http://t.cn/AijmB9hc

概述

Java的内存模型(Java Memory Model )简称JMM。首先应该明白,Java内存模型是一个规范,主要规定了以下两点:

  1. 规定了一个线程如何以及何时可以看到其他线程修改过后的共享变量的值,即线程之间共享变量的可见性。
  2. 如何在需要的时候对共享变量进行同步。

JMM定义了Java虚拟机(JVM)在计算机内存(RAM)中的工作方式。

而在并发编程中,我们所要处理的两个关键问题就是这两条标准的体现:线程之间如何通信以及线程之间如何同步。通信是指线程之间以何种机制来交换信息。在命令式的编程中,线程之间的通信机制有两种:共享内存和消息传递。

在共享内存并发的模型里,线程之间共享程序的公共状态,线程之间通过读-写内存中的公共状态来隐式进行通信。典型的共享内存通信方式就是通过共享对象进行通信。

在消息传递的并发模型里,线程之间没有公共状态,线程之间必须通过明确的发送消息来显示进行通信,在java中典型的消息传递方式就是wait()和notify()

同步是指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里,同步是显示进行的,程序员必须显示指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥进行。

在消息传递的并发模型里,由于消息的发送必须在消息的接受之前,因此同步是隐式进行的。

Java的并发采用的就是共享内存模型,Java线程之间的通信总是隐式进行的,整个通信过程对程序员是完全透明的。

上面讲到了Java线程之间的通信采用的是过共享内存模型,这里提到的共享内存模型指的就是Java内存模型(简称JMM),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。从抽象的角度来看,JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系:线程之间的共享变量存储在主内存(main memory)中,每个线程都有一个私有的本地内存(local memory),本地内存中存储了该线程以读/写共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念,并不真实存在。它涵盖了缓存,写缓冲区,寄存器以及其他的硬件和编译器优化。

从上图来看,线程A与线程B之间如要通信的话,必须要经历下面2个步骤:

  1. 首先,线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。
  2. 然后,线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

下面通过示意图来说明这两个步骤:

如上图所示,本地内存A和B有主内存中共享变量x的副本。假设初始时,这三个内存中的x值都为0。线程A在执行时,把更新后的x值(假设值为1)临时存放在自己的本地内存A中。当线程A和线程B需要通信时,线程A首先会把自己本地内存中修改后的x值刷新到主内存中,此时主内存中的x值变为了1。随后,线程B到主内存中去读取线程A更新后的x值,此时线程B的本地内存的x值也变为了1。

从整体来看,这两个步骤实质上是线程A在向线程B发送消息,而且这个通信过程必须要经过主内存。JMM通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互,来为java程序员提供内存可见性保证。

上面也说到了,Java内存模型只是一个抽象概念,那么它在Java中具体是怎么工作的呢?为了更好的理解Java内存模型的工作方式,下面就JVM对Java内存模型的实现、硬件内存模型及它们之间的桥接做详细介绍。

JVM对Java内存模型的实现

在JVM内部,Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干不同的数据区域,这些区域都有各自的用途以及创建和销毁的时间。

主要区域如下图所示:堆(Heap),虚拟机栈(VM Stack),方法区(Method Area),本地方法栈(Native Method Stack),程序计数器(PC Register)。

从上面的图中可以看出:

    1. 堆和方法区线程共享的;
    1. 栈和程序计数器是线程私有的。

详细说明和异常抛出:

虚拟机栈: 每一个运行在Java虚拟机上的线程都拥有自己的线程栈,虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型:每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链表、方法出口信息等。每一个方法从调用直至执行完成的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。栈的生命周期与线程相同。

线程栈之间是相互隔离的,一个线程仅能访问自己的线程栈。一个线程创建的本地变量对其它线程不可见,仅自己可见。即使两个线程执行同样的代码,这两个线程任然在在自己的线程栈中的代码来创建本地变量。因此,每个线程拥有每个本地变量的独有版本。

所有原始类型的本地变量都存放在线程栈上,因此对其它线程不可见。一个线程可能向另一个线程传递一个原始类型变量的拷贝,但是它不能共享这个原始类型变量自身。

本地方法栈:本地方法栈与虚拟机栈的作用相似,不同之处在于虚拟机栈为虚拟机执行的Java方法服务,而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。有的虚拟机直接把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

程序计数器:程序计数器保存着每一条线程下一次执行指令位置。

:用来保存程序中所创建的所有对象、数组元素。堆内存在线程之间是共享的。

方法区:方法区是各个线程共享的内存区域,它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据 。

数据存储总结:

一个本地变量如果是原始类型,那么它会被完全存储到栈区。一个本地变量也有可能是一个对象的引用,这种情况下,这个本地引用会被存储到栈中,但是对象本身仍然存储在堆区。

对于一个对象的成员方法,这些方法中包含本地变量,仍需要存储在栈区,即使它们所属的对象在堆区。对于一个对象的成员变量,不管它是原始类型还是包装类型,都会被存储到堆区。

Static类型的变量以及类本身相关信息都会随着类本身存储在堆区。

堆中的对象可以被多线程共享。如果一个线程获得一个对象的引用,它便可访问这个对象的成员变量。如果两个线程同时调用了同一个对象的同一个方法,那么这两个线程便可同时访问这个对象的成员变量,但是对于该对象的本地变量,每个线程都会拷贝一份到自己的线程栈中。也就是,如果两个线程同时访问同一个对象的私有变量,这时他们获得的是这个对象的私有拷贝。

下图展示了上面描述的过程:

线程并发的三大概念:原子性,有序性,可见性

1.定义

原子性:即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。

2.实例

一个很经典的例子就是银行账户转账问题:

比如从账户A向账户B转1000元,那么必然包括2个操作:从账户A减去1000元,往账户B加上1000元。

试想一下,如果这2个操作不具备原子性,会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后,操作突然中止。这样就会导致账户A虽然减去了1000元,但是账户B没有收到这个转过来的1000元。

所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

同样地反映到并发编程中会出现什么结果呢?

举个最简单的例子,大家想一下假如为一个32位的变量赋值过程不具备原子性的话,会发生什么后果?

i = 9;

假若一个线程执行到这个语句时,我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程:为低16位赋值,为高16位赋值。

那么就可能发生一种情况:当将低16位数值写入之后,突然被中断,而此时又有一个线程去读取i的值,那么读取到的就是错误的数据。

3.Java中的原子性

在Java中,对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作,即这些操作是不可被中断的,要么执行,要么不执行。

上面一句话虽然看起来简单,但是理解起来并不是那么容易。看下面一个例子i:

请分析以下哪些操作是原子性操作:

x = 10; //语句1 y = x; //语句2 x++; //语句3 x = x + 1; //语句4

咋一看,可能会说上面的4个语句中的操作都是原子性操作。其实只有语句1是原子性操作,其他三个语句都不是原子性操作。

语句1是直接将数值10赋值给x,也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。

语句2实际上包含2个操作,它先要去读取x的值,再将x的值写入工作内存,虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这两个操作都是原子性操作,但是合起来就不是原子性操作了。

同样的,x++和 x = x+1包括3个操作:读取x的值,进行加1操作,写入新的值。

所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。

也就是说,只有简单的读取、赋值(而且必须是将数字赋值给某个变量,变量之间的相互赋值不是原子操作)才是原子操作。

从上面可以看出,Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作,如果要实现更大范围操作的原子性,可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块,那么自然就不存在原子性问题了,从而保证了原子性。

关于synchronized和Lock的使用,参考:关于synchronized和ReentrantLock之多线程同步详解

1.定义:在执行程序时,为了提高性能,编译器和处理器会对指令做重排序。

下面解释一下什么是指令重排序,一般来说,处理器为了提高程序运行效率,可能会对输入代码进行优化,它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致,但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

2.实例

int i = 0; boolean flag = false; i = 1; //语句1 flag = true; //语句2

上面代码定义了一个int型变量,定义了一个boolean类型变量,然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看,语句1是在语句2前面的,那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗?不一定,为什么呢?这里可能会发生指令重排序(Instruction Reorder)。

比如上面的代码中,语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响,那么就有可能在执行过程中,语句2先执行而语句1后执行。

但是要注意,虽然处理器会对指令进行重排序,但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同,那么它靠什么保证的呢?再看下面一个例子:

int a = 10; //语句1 int r = 2; //语句2 a = a + 3; //语句3 r = a*a; //语句4

这段代码有4个语句,那么可能的一个执行顺序是:

那么可不可能是这个执行顺序呢:语句2 语句1 语句4 语句3

不可能,因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性,如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果,那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行

虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果,但是多线程呢?下面看一个例子:

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2
 
 //线程2:
while(!inited ){
   sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代码中,由于语句1和语句2没有数据依赖性,因此可能会被重排序。假如发生了重排序,在线程1执行过程中先执行语句2,而此是线程2会以为初始化工作已经完成,那么就会跳出while循环,去执行doSomethingwithconfig(context)方法,而此时context并没有被初始化,就会导致程序出错。

从上面可以看出,指令重排序不会影响单个线程的执行,但是会影响到线程并发执行的正确性。

也就是说,要想并发程序正确地执行,必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证,就有可能会导致程序运行不正确。

3.Java中的有序性

在Java内存模型中,允许编译器和处理器对指令进行重排序,但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行,却会影响到多线程并发执行的正确性。

在Java里面,可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性,很显然,synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码,相当于是让线程顺序执行同步代码,自然就保证了有序性。

关于volatile 和 sychronized的区别详见:volatile和synchronized的区别

1.定义:可见性是指当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。

2.实例:

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;
 
//线程2执行的代码
j = i;

由上面的分析可知,当线程1执行 i =10这句时,会先把i的初始值加载到自己线程的工作内存中,然后赋值为10,那么在线程1的工作内存当中i的值变为10了,却没有立即写入到主存当中。

此时线程2执行 j = i,它会先去主存读取i的值并加载到线程2的工作内存当中,注意此时内存当中i的值还是0,那么就会使得j的值为0,而不是10.

这就是可见性问题,线程1对变量i修改了之后,线程2没有立即看到线程1修改的值。

3.Java中的可见性

对于可见性,Java提供了volatile关键字来保证可见性。

当一个共享变量被volatile修饰时,它会保证修改的值会立即被更新到主存,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值。

而普通的共享变量不能保证可见性,因为普通共享变量被修改之后,什么时候被写入主存是不确定的,当其他线程去读取时,此时内存中可能还是原来的旧值,因此无法保证可见性。

另外,通过synchronized和Lock也能够保证可见性,synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码,并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

上面讲到了,通过内存屏障可以禁止特定类型处理器的重排序,从而让程序按我们预想的流程去执行。内存屏障,又称内存栅栏,是一个CPU指令,基本上它是一条这样的指令:

  1. 保证特定操作的执行顺序。
  2. 影响某些数据(或则是某条指令的执行结果)的内存可见性。

编译器和CPU能够重排序指令,保证最终相同的结果,尝试优化性能。插入一条Memory Barrier会告诉编译器和CPU:不管什么指令都不能和这条Memory Barrier指令重排序。

Memory Barrier所做的另外一件事是强制刷出各种CPU cache,如一个Write-Barrier(写入屏障)将刷出所有在Barrier之前写入 cache 的数据,因此,任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

这和java有什么关系?上面java线程并发中讲到的volatile就是基于Memory Barrier实现的。

如果一个变量是volatile修饰的,JMM会在写入这个字段之后插进一个Write-Barrier指令,并在读这个字段之前插入一个Read-Barrier指令。这意味着,如果写入一个volatile变量,就可以保证:

  1. 一个线程写入变量a后,任何线程访问该变量都会拿到最新值。
  2. 在写入变量a之前的写入操作,其更新的数据对于其他线程也是可见的。因为Memory Barrier会刷出cache中的所有先前的写入。

从jdk5开始,java使用新的JSR-133内存模型,基于happens-before的概念来阐述操作之间的内存可见性。

在JMM中,如果一个操作的执行结果需要对另一个操作可见,那么这两个操作之间必须要存在happens-before关系,这里的两个操作既可以在同一个线程,也可以在不同的两个线程中。

与程序员密切相关的happens-before规则如下:

  1. 程序顺序规则:一个线程内,按照代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
  2. 监视器锁规则:一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。
  3. volatile域规则:对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
  4. 传递性规则:如果操作A先行发生于操作B,而操作B又先行发生于操作C,则可以得出操作A先行发生于操作C。

下面我们来解释一下前4条规则:

第一条对于程序次序规则来说,就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意,虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”,这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的,但是虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序,但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的,它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此,在单个线程中,程序执行看起来是有序执行的,这一点要注意理解。事实上,这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性,但无法保证程序在多线程中执行的正确性。

第二条规则也比较容易理解,也就是说无论在单线程中还是多线程中,同一个锁如果处于被锁定的状态,那么必须先对锁进行了释放操作,后面才能继续进行lock操作。

第三条规则是一条比较重要的规则。直观地解释就是,如果一个线程先去写一个变量,然后一个线程去进行读取,那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

第四条规则实际上就是体现happens-before原则具备传递性。

注意:两个操作之间具有happens-before关系,并不意味前一个操作必须要在后一个操作之前执行!仅仅要求前一个操作的执行结果,对于后一个操作是可见的,且前一个操作按顺序排在后一个操作之前。

原文发布于微信公众号 - 乱敲代码(gh_baf1250e9b02)

原文发表时间:2019-07-29

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

发表于

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券