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Java内存模型:看Java如何解决可见性和有序性问题

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。

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】 2 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。

// 以下代码来源于【参考 1】 2 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?//
    }
}
}

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:

示例代码中的传递性规则

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。

1  Thread B = new Thread(()->{
2     // 此处对共享变量 var 修改
3     var = 66;
4   });
5   // 例如此处对共享变量修改,
6   // 则这个修改结果对线程 B 可见
7   // 主线程启动子线程
8   B.start();
9   B.join()
10  // 子线程所有对共享变量的修改
11  // 在主线程调用 B.join() 之后皆可见
12  // 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。

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”。

1 // 以下代码来源于【参考 1】 2 final int x;
3 // 错误的构造函数
4 public FinalFieldExample() { 
5 x = 3;
6 y = 4;
7 // 此处就是讲 this 逸出,
8 global.obj = this;
9 }

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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原始发表时间:2021-03-10

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