八股文常客——Java内存模型JMM

第12章 Java内存模型与线程

“高效并发”是本书讲解Java虚拟机的最后一个部分，将会向读者介绍虚拟机如何实现多线程、多线程之间由于共享和竞争数据而导致的一系列问题及解决方案。

。从本章开始，我们将会频繁见到“内存模型”一词，它可以理解为在特定的操作协议下，对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。不同架构的物理机器可 以拥有不一样的内存模型，而Java虚拟机也有自己的内存模型，并且与这里介绍的内存访问操作及硬 件的缓存访问操作具有高度的可类比性。

除了增加高速缓存之外，为了使处理器内部的运算单元能尽量被充分利用，处理器可能会对输入代码进行乱序执行（Out-Of-Order Execution）优化，处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组，保证该结果与顺序执行的结果是一致的，但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致，因此如果存在一个计算任务依赖另外一个计算任务的中间结果，那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似，Java虚拟机的即时编译器中也有指令重排序 （Instruction Reorder）优化。

12.3 Java内存模型

大名鼎鼎的Java Memory Model，JMM，八股文中的常客。

《Java虚拟机规范》[1]中曾试图定义一种“Java内存模型” [2]（Java Memory Model，JMM）来屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。定义Java内存模型并非一件容易的事情，这个模型必须定义得足够严谨，才能让Java的并发内存访 问操作不会产生歧义；但是也必须定义得足够宽松，使得虚拟机的实现能有足够的自由空间去利用硬件的各种特性（寄存器、高速缓存和指令集中某些特有的指令）来获取更好的执行速度。经过长时间的验证和修补，直至JDK 5（实现了JSR-133 [3]）发布后，Java内存模型才终于成熟、完善起来了。

12.3.1 主内存与工作内存

Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则，即关注在虚拟机中把变量值存储到 内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。此处的变量（Variables）与Java编程中所说的变量有所区 别，它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素，但是不包括局部变量与方法参数，因为后 者是线程私有的[1]，不会被共享，自然就不会存在竞争问题。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中（此处的主内存与介绍物理 硬件时提到的主内存名字一样，两者也可以类比，但物理上它仅是虚拟机内存的一部分）。每条线程还有自己的工作内存（Working Memory，可与前面讲的处理器高速缓存类比），线程的工作内存中保存了被该线程使用的变量的主内存副本[2]，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的数据[3]。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存三者的交互关系如图12- 2所示，注意与图12-1进行对比。

这里所讲的主内存、工作内存与第2章所讲的Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一 个层次的对内存的划分，这两者基本上是没有任何关系的。如果两者一定要勉强对应起来，那么从变量、主内存、工作内存的定义来看，主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分[4]，而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更基础的层次上说，主内存直接对应于物理硬件的内存，而为了获取更好的运行速度，虚拟机（或者是硬件、操作系统本身的优化措施）可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中，因为程序运行时主要访问的是工作内存。

12.3.2 内存间交互操作

关于主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存这一类的实现细节，Java内存模型中定义了以下8种操作来完成。Java虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的（对于double和long类型的变量来说， load、store、read和write操作在某些平台上允许有例外，这个问题在12.3.4节会专门讨论）[1]。

·lock（锁定）：作用于主内存的变量，它把一个变量标识为一条线程独占的状态。

·unlock（解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定。

·read（读取）：作用于主内存的变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用。

·load（载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。

·use（使用）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传递给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。

·assign（赋值）：作用于工作内存的变量，它把一个从执行引擎接收的值赋给工作内存的变量， 每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。·store（存储）：作用于工作内存的变量，它把工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便随后的write操作使用。

·write（写入）：作用于主内存的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中。

如果要把一个变量从主内存拷贝到工作内存，那就要按顺序执行read和load操作，如果要把变量从工作内存同步回主内存，就要按顺序执行store和write操作。

注意，Java内存模型只要求上述两个操作必须按顺序执行，但不要求是连续执行。也就是说read与load之间、store与write之间是可插入其他指令的，如对主内存中的变量a、b进行访问时，一种可能出现的顺序是read a、read b、load b、load a。除此之外，Java内存模型还规定了在执行上述8种基本操作时必须满足如下规则：

·不允许read和load、store和write操作之一单独出现，即不允许一个变量从主内存读取了但工作内存不接受，或者工作内存发起回写了但主内存不接受的情况出现。

·不允许一个线程丢弃它最近的assign操作，即变量在工作内存中改变了之后必须把该变化同步回主内存。

·不允许一个线程无原因地（没有发生过任何assign操作）把数据从线程的工作内存同步回主内存中。

·一个新的变量只能在主内存中“诞生”，不允许在工作内存中直接使用一个未被初始化（load或 assign）的变量，换句话说就是对一个变量实施use、store操作之前，必须先执行assign和load操作。

·一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作，但lock操作可以被同一条线程重复执行多次，多次执行lock后，只有执行相同次数的unlock操作，变量才会被解锁。

·如果对一个变量执行lock操作，那将会清空工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，需要重新执行load或assign操作以初始化变量的值。

·如果一个变量事先没有被lock操作锁定，那就不允许对它执行unlock操作，也不允许去unlock一个被其他线程锁定的变量。

·对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步回主内存中（执行store、write操作）。

这8种内存访问操作以及上述规则限定，再加上稍后会介绍的专门针对volatile的一些特殊规定，就已经能准确地描述出Java程序中哪些内存访问操作在并发下才是安全的。这种定义相当严谨，但也是极为烦琐，实践起来更是无比麻烦。可能部分读者阅读到这里已经对多线程开发产生恐惧感了，后来Java设计团队大概也意识到了这个问题，将Java内存模型的操作简化为read、write、lock和unlock四种，但这只是语言描述上的等价化简，Java内存模型的基础设计并未改变，即使是这四操作种，对于普通用户来说阅读使用起来仍然并不方便。不过读者对此无须过分担忧，除了进行虚拟机开发的团队外，大概没有其他开发人员会以这种方式来思考并发问题，我们只需要理解Java内存模型的定义即可。12.3.6节将介绍这种定义的一个等效判断原则——先行发生原则，用来确定一个操作在并发环境下是否安全的。(其实这8个操作看似繁琐，但是仔细体悟下，就能感受到那种严谨自洽的优美，从而记忆)

12.3.3 对于volatile型变量的特殊规则

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制，但是它并不容易被正确、完整地理解，以至于许多程序员都习惯去避免使用它，遇到需要处理多线程数据竞争问题的时候一律使用 synchronized来进行同步。了解volatile变量的语义对后面理解多线程操作的其他特性很有意义，在本节中我们将多花费一些篇幅介绍volatile到底意味着什么。

Java内存模型为volatile专门定义了一些特殊的访问规则，在介绍这些比较拗口的规则定义之前， 先用一些不那么正式，但通俗易懂的语言来介绍一下这个关键字的作用。当一个变量被定义成volatile之后，它将具备两项特性：

第一项是保证此变量对所有线程的可见性，这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量并不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递时均需要通过主内存来完成。比如，线程A修改一个普通变量的值，然后向主内存进行回写，另外一条线程B在线程A回写完成了之后再对主内存进行读取操作，新变量值才会对线程B可见。

关于volatile变量的可见性，经常会被开发人员误解，他们会误以为下面的描述是正确的：“volatile变量对所有线程是立即可见的，对volatile变量所有的写操作都能立刻反映到其他线程之中。换句话说，volatile变量在各个线程中是一致的，所以基于volatile变量的运算在并发下是线程安全的”。这句话的论据部分并没错，但是由其论据并不能得出“基于volatile变量的运算在并发下是线程安全的”这样的结论。volatile变量在各个线程的工作内存中是不存在一致性问题的（从物理存储的角度看，各个线程的工作内存中volatile变量也可以存在不一致的情况，但由于每次使用之前都要先刷新，执行引擎看不到不一致的情况，因此可以认为不存在一致性问题），但是Java里面的运算操作符并非原子操作， 这导致volatile变量的运算在并发下一样是不安全的，我们可以通过一段简单的演示来说明原因，请看代码清单12-1中演示的例子。

/**
* volatile变量自增运算测试
*
* @author zzm
*/
public class VolatileTest {
    public static volatile int race = 0;
    public static void increase() {
     race++;
    }
    private static final int THREADS_COUNT = 20;
    public static void main(String[] args) {
     Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
        threads[i] = new Thread(new Runnable() {
        @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                 increase();
                 }
                }});
                threads[i].start();
            }
        // 等待所有累加线程都结束
        while (Thread.activeCount() > 1)
         Thread.yield();
        System.out.println(race);
    }
}

这段代码发起了20个线程，每个线程对race变量进行10000次自增操作，如果这段代码能够正确并发的话，最后输出的结果应该是200000。读者运行完这段代码之后，并不会获得期望的结果，而且会发现每次运行程序，输出的结果都不一样，都是一个小于200000的数字。这是为什么呢？

问题就出在自增运算“race++”之中，我们用Javap反编译这段代码后会得到代码清单12-2所示，发现只有一行代码的increase()方法在Class文件中是由4条字节码指令构成（return指令不是由race++产生 的，这条指令可以不计算），从字节码层面上已经很容易分析出并发失败的原因了：当getstatic指令把 race的值取到操作栈顶时，volatile关键字保证了race的值在此时是正确的，但是在执行iconst_1、iadd这 些指令的时候，其他线程可能已经把race的值改变了，而操作栈顶的值就变成了过期的数据，所以 putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步回主内存之中。

public static void increase();
Code:
Stack=2, Locals=0, Args_size=0
0: getstatic #13; //Field race:I
3: iconst_1
4: iadd // 但是在执行iconst_1、iadd这 些指令的时候，其他线程可能已经把race的值改变了，而操作栈顶的值就变成了过期的数据
5: putstatic #13; //Field race:I 所以 putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步回主内存之中
8: return
LineNumberTable:
line 14: 0
line 15: 8

实事求是地说，笔者使用字节码来分析并发问题仍然是不严谨的，因为即使编译出来只有一条字节码指令，也并不意味执行这条指令就是一个原子操作。一条字节码指令在解释执行时，解释器要运行许多行代码才能实现它的语义。如果是编译执行，一条字节码指令也可能转化成若干条本地机器码指令。此处使用-XX：+PrintAssembly参数输出反汇编来分析才会更加严谨一些，但是考虑到读者阅读的方便性，并且字节码已经能很好地说明问题，所以此处使用字节码来解释。

由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的运算场景中，我们仍然要通过加锁 （使用synchronized、java.util.concurrent中的锁或原子类）来保证原子性：

·运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。

·变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。

而在像代码清单12-3所示的这类场景中就很适合使用volatile变量来控制并发，当shutdown()方法被调用时，能保证所有线程中执行的doWork()方法都立即停下来。

volatile boolean shutdownRequested;
    public void shutdown() {
     shutdownRequested = true;
    }
    public void doWork() {
    while (!shutdownRequested) {
    // 代码的业务逻辑
    }
}

使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化，普通的变量仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果，而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在同一个线程的方法执行过程中无法感知到这点，这就是Java内存模型中描述的所谓“线程内表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics）。上面描述仍然比较拗口难明，我们还是继续通过一个例子来看看为何指令重排序会干扰程序的并发执行。演示程序如代码清单12-4所示。

Map configOptions;
char[] configText;
// 此变量必须定义为volatile
volatile boolean initialized = false;
// 假设以下代码在线程A中执行
// 模拟读取配置信息，当读取完成后
// 将initialized设置为true,通知其他线程配置可用
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfigOptions(configText, configOptions);
initialized = true;
// 假设以下代码在线程B中执行
// 等待initialized为true，代表线程A已经把配置信息初始化完成
while (!initialized) {
sleep();
}
// 使用线程A中初始化好的配置信息
doSomethingWithConfig();

代码清单12-4中所示的程序是一段伪代码，其中描述的场景是开发中常见配置读取过程，只是我们在处理配置文件时一般不会出现并发，所以没有察觉这会有问题。读者试想一下，如果定义initialized变量时没有使用volatile修饰，就可能会由于指令重排序的优化，导致位于线程A中最后一条代码“initialized=true”被提前执行（这里虽然使用Java作为伪代码，但所指的重排序优化是机器级的优化操作，提前执行是指这条语句对应的汇编代码被提前执行），这样在线程B中使用配置信息的代码就可能出现错误，而volatile关键字则可以避免此类情况的发生[2]。

那为何说它禁止指令重排序呢？从硬件架构上讲，指令重排序是指处理器采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各个相应的电路单元进行处理。但并不是说指令任意重排，处理器必须能正确处理指令依赖情况保障程序能得出正确的执行结果。譬如指令1把地址A中的值加10，指令2 把地址A中的值乘以2，指令3把地址B中的值减去3，这时指令1和指令2是有依赖的，它们之间的顺序不能重排——(A+10)2与A2+10显然不相等，但指令3可以重排到指令1、2之前或者中间，只要保证处理器执行后面依赖到A、B值的操作时能获取正确的A和B值即可。所以在同一个处理器中，重排序过的代码看起来依然是有序的。因此，lock addl$0x0，(%esp)指令把修改同步到内存时，意味着所有之前的操作都已经执行完成，这样便形成了“指令重排序无法越过内存屏障”的效果。

12.3.5 原子性、可见性与有序性

介绍完Java内存模型的相关操作和规则后，我们再整体回顾一下这个模型的特征。Java内存模型是 围绕着在并发过程中如何处理原子性、可见性和有序性这三个特征来建立的，我们逐个来看一下哪些 操作实现了这三个特性。

1.原子性（Atomicity） 由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write这六个， 我们大致可以认为，基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的（例外就是long和double的非原子性协定，读者只要知道这件事情就可以了，无须太过在意这些几乎不会发生的例外情况）。如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证（经常会遇到），Java内存模型还提供了lock和 unlock操作来满足这种需求，尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用，但是却提供了更高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作。这两个字节码指令反映到Java代码中就是同步块——synchronized关键字，因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。

2.可见性（Visibility） 可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时，其他线程能够立即得知这个修改。

3.有序性（Ordering） Java内存模型的有序性在前面讲解volatile时也比较详细地讨论过了，Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的；如果在一个线程中观察另一个线程， 所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内似表现为串行的语义”（Within-Thread As-If-Serial Semantics），后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

synchronized的“万能”也间接造就了它被程序员滥用的局面，越“万能”的并发控制，通常会伴随着越大的性能影响，关于这一点我们将在下一章讲解虚拟机锁优化时再细谈。

12.3.6 先行发生原则

如果Java内存模型中所有的有序性都仅靠volatile和synchronized来完成，那么有很多操作都将会变得非常啰嗦，但是我们在编写Java并发代码的时候并没有察觉到这一点，这是因为Java语言中有一 个“先行发生”（Happens-Before）的原则。这个原则非常重要，它是判断数据是否存在竞争，线程是否安全的非常有用的手段。依赖这个原则，我们可以通过几条简单规则一揽子解决并发环境下两个操作之间是否可能存在冲突的所有问题，而不需要陷入Java内存模型苦涩难懂的定义之中。现在就来看看“先行发生”原则指的是什么。

先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的偏序关系，比如说操作A先行发生于操作B，其实就是说在发生操作B之前，操作A产生的影响能被操作B 观察到，“影响”包括修改了内存中共享变量的值、发送了消息、调用了方法等。这句话不难理解。

12.4.1 线程的实现

我们知道，线程是比进程更轻量级的调度执行单位，线程的引入，可以把一个进程的资源分配和执行调度分开，各个线程既可以共享进程资源（内存地址、文件I/O等），又可以独立调度。目前线程是Java里面进行处理器资源调度的最基本单位，不过如果日后Loom项目能成功为Java引入纤程 （Fiber）的话，可能就会改变这一点。

主流的操作系统都提供了线程实现，Java语言则提供了在不同硬件和操作系统平台下对线程操作的统一处理，每个已经调用过start()方法且还未结束的java.lang.Thread类的实例就代表着一个线程。我们注意到Thread类与大部分的Java类库API有着显著差别，它的所有关键方法都被声明为Native。

实现线程主要有三种方式：使用内核线程实现（1：1实现），使用用户线程实现（1：N实现）， 使用用户线程加轻量级进程混合实现（N：M实现）。

Java目前的并发编程机制就与上述架构趋势产生了一些矛盾，1：1的内核线程模型是如今Java虚拟机线程实现的主流选择，但是这种映射到操作系统上的线程天然的缺陷是切换、调度成本高昂，系统 能容纳的线程数量也很有限。以前处理一个请求可以允许花费很长时间在单体应用中，具有这种线程切换的成本也是无伤大雅的，但现在在每个请求本身的执行时间变得很短、数量变得很多的前提下， 用户线程切换的开销甚至可能会接近用于计算本身的开销，这就会造成严重的浪费。

程序是数据与代码的组合体，代码执行时还必须要有上下文数据的支撑。而这里说的“上下文”，以程序员的角度来看，是方法调用过程中的各种局部的变量与资源；以线程的角度来看，是方法的调用栈中存储的各类信息；而以操作系统和硬件的角度来看，则是存储在内存、缓存和寄存器中的一个个具体数值。物理硬件的各种存储设备和寄存器是被操作系统内所有线程共享的资源，当中断发生，从线程A切换到线程B去执行之前，操作系统首先要把线程A的上下文数据妥善保管好，然后把寄存器、内存分页等恢复到线程B挂起时候的状态，这样线程B被重新激活后才能仿佛从来没有被挂起过。这种保护和恢复现场的工作，免不了涉及一系列数据在各种寄存器、缓存中的来回拷贝，当然不可能是一种轻量级的操作。

用人脑也很好理解，你在做一件事的时候再去切换做另一件事，再切换回来，回忆前面事情做到哪一步是一个比较耗时的操作

靠应用自己模拟多线程的做法，而是演化为用户线程继续存在。由于最初多数的用户线程是被设计成协同式调度 （Cooperative Scheduling）的，所以它有了一个别名——“协程”（Coroutine）。又由于这时候的协程会完整地做调用栈的保护、恢复工作，所以今天也被称为“有栈协程”（Stackfull Coroutine），起这样的名字是为了便于跟后来的“无栈协程”（Stackless Coroutine）区分开。无栈协程本质上是一种有限状态机，状态保存在闭包里，自然比有栈协程恢复调用栈要轻量得多，但功能也相对更有限。协程的主要优势是轻量，无论是有栈协程还是无栈协程，都要比传统内核线程要轻量得多。

协程当然也有它的局限，需要在应用层面实现的内容（调用栈、调度器这些）特别多，这个缺点就不赘述了。除此之外，协程在最初，甚至在今天很多语言和框架中会被设计成协同式调度，这样在语言运行平台或者框架上的调度器就可以做得非常简单。

12.6 本章小结

本章中，我们了解了虚拟机Java内存模型的结构及操作，并且讲解了原子性、可见性、有序性在 Java内存模型中的体现，介绍了先行发生原则的规则及使用。另外，我们还了解了线程在Java语言之中 是如何实现的，以及代表Java未来多线程发展的新并发模型的工作原理。