Java 内存模型

《Java虚拟机规范》中曾试图定义一种“Java内存模型”(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。在此之前,主流程序语言(如C和C++等)直接使用物理硬件和操作系统的内存模型。因此,由于不同平台上内存模型的差异,有可能导致程序在一套平台上并发完全正常,而在另外一套平台上并发访问却经常出错,所以在某些场景下必须针对不同的平台来编写程序。 

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。

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,不会被共享,自然就不会存在竞争问题。为了获得更好的执行效能,Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互,也没有限制即时编译器是否要进行调整代码执行顺序这类优化措施。

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,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。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所示。

线程、主内存、工作内存三者的交互关系

这里所讲的主内存、工作内存与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,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。 

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)。

  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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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。

  7. 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。

  8. 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。后面介绍这种定义的一个等效判断原则——Happens-Before原则,用来确定一个操作在并发环境下是否安全的。

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。

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有错,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,

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。

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)。

再回头来看看Java内存模型中对volatile变量定义的特殊规则的定义。假定T表示一个线程,V和W分别表示两个volatile型变量,那么在进行read、load、use、assign、store和write操作时需要满足如下规则:

只有当线程T对变量V执行的前一个动作是load的时候,线程T才能对变量V执行use动作;并且,只有当线程T对变量V执行的后一个动作是use的时候,线程T才能对变量V执行load动作。线程T对变量V的use动作可以认为是和线程T对变量V的load、read动作相关联的,必须连续且一起出现。

这条规则要求在工作内存中,每次使用V前都必须先从主内存刷新最新的值,用于保证能看见其他线程对变量V所做的修改。

只有当线程T对变量V执行的前一个动作是assign的时候,线程T才能对变量V执行store动作;并且,只有当线程T对变量V执行的后一个动作是store的时候,线程T才能对变量V执行assign动作。线程T对变量V的assign动作可以认为是和线程T对变量V的store、write动作相关联的,必须连续且一起出现。

这条规则要求在工作内存中,每次修改V后都必须立刻同步回主内存中,用于保证其他线程可以看到自己对变量V所做的修改。

假定动作A是线程T对变量V实施的use或assign动作,假定动作F是和动作A相关联的load或store动作,假定动作P是和动作F相应的对变量V的read或write动作;与此类似,假定动作B是线程T对变量W实施的use或assign动作,假定动作G是和动作B相关联的load或store动作,假定动作Q是和动作G相应的对变量W的read或write动作。如果A先于B,那么P先于Q。

这条规则要求volatile修饰的变量不会被指令重排序优化,从而保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。

4、针对long和double型变量的特殊规则

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这八种操作都具有原子性,但是对于64位的数据类型(long和double),在模型中特别定义了一条宽松的规定:允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行,即允许虚拟机实现自行选择是否要保证64位数据类型的load、store、read和write这四个操作的原子性,这就是所谓的“long和double的非原子性协定”(Non-Atomic Treatment of double and long Variables)。如果有多个线程共享一个并未声明为volatile的long或double类型的变量,并且同时对它们进行读取和修改操作,那么某些线程可能会读取到一个既不是原值,也不是其他线程修改值的代表了“半个变量”的数值。不过这种读取到“半个变量”的情况是非常罕见的。

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。

5.1. 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。

5.2. 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。上文在讲解volatile变量的时候我们已详细讨论过这一点。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内

存,在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的,无论是普通变量还是volatile变量都是如此。普通变量与volatile变量的区别是,volatile的特殊规则保证了新值能立即同步到主内存,以及每次使用前立即从主内存刷新。因此我们可以说volatile保证了多线程操作时变量的可见性,而普通变量则不能保证这一点。

除了volatile之外,Java还有两个关键字能实现可见性,它们是synchronized和final。同步块的可见性是由“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)”这条规则获得的。而final关键字的可见性是指:被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完成,并且构造器没有把“this”的引用传递出去(this引用逃逸是一件很危险的事情,其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象),那么在其他线程中就能看见final字段的值。

5.3. 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-SerialSemantics),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。

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性,volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义,而synchronized则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的,这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

介绍完并发中三种重要的特性,读者是否发现synchronized关键字在需要这三种特性的时候都可以作为其中一种的解决方案?看起来很“万能”吧?的确,绝大部分并发控制操作都能使用synchronized来完成。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,

6、Happens-Before 规则

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。

下面是Java内存模型下一些“天然的”先行发生关系,这些先行发生关系无须任何同步器协助就已经存在,可以在编码中直接使用。如果两个操作之间的关系不在此列,并且无法从下列规则推导出

来,则它们就没有顺序性保障,虚拟机可以对它们随意地进行重排序。

  1. 程序次序规则(Program Order Rule):在一个线程内,按照控制流顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。注意,这里说的是控制流顺序而不是程序代码顺序,因为要考虑分支、循环等结构。

  2. 管程锁定规则(Monitor Lock Rule):一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作。这里必须强调的是“同一个锁”,而“后面”是指时间上的先后。

  3. volatile变量规则(Volatile Variable Rule):对一个volatile变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作,这里的“后面”同样是指时间上的先后。

  4. 线程启动规则(Thread Start Rule):Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。

  5. 线程终止规则(Thread Termination Rule):线程中的所有操作都先行发生于对此线程的终止检测,我们可以通过Thread::join()方法是否结束、Thread::isAlive()的返回值等手段检测线程是否已经终止执行。

  6. 线程中断规则(Thread Interruption Rule):对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生,可以通过Thread::interrupted()方法检测到是否有中断发生。

  7. 对象终结规则(Finalizer Rule):一个对象的初始化完成(构造函数执行结束)先行发生于它的finalize()方法的开始。

  8. 传递性(Transitivity):如果操作A先行发生于操作B,操作B先行发生于操作C,那就可以得出操作A先行发生于操作C的结论。

 时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有因果关系,所以我们衡量并发安全问题的时候不要受时间顺序的干扰,一切必须以Happens-Before原则为准。

 

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posted @ 2022-02-26 14:11  huansky  阅读(1176)  评论(0编辑  收藏  举报