JVM深入理解（四）-内存模型【下】
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内存模型【下】
- volatile
- 所释放和获取的内存语义
- concurrent包的实现
- final
1、volatile
volatile变量自身具有下列特性：
- 可见性。对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个volatile变量最后的写入。
- 原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。
volatile写的内存语义如下：
- 当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存。
volatile读的内存语义如下：
- 当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。
为了实现volatile的内存语义，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。
下面是在保守策略下，volatile读插入内存屏障后生成的指令序列示意图：
后面的StoreLoad屏障的作用是避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序。为了保证能正确实现volatile的内存语义，JMM在这里采取了保守策略：在每个volatile写的后面或在每个volatile读的前面插入一个StoreLoad屏障。从整体执行效率的角度考虑，JMM选择了在每个volatile写的后面插入一个StoreLoad屏障。
在实际执行时，只要不改变volatile写-读的内存语义，编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。下面我们通过具体的示例代码来说明：
class VolatileBarrierExample {
int a;
volatile int v1 = 1;
volatile int v2 = 2;
void readAndWrite() {
int i = v1; //第一个volatile读
int j = v2; // 第二个volatile读
a = i + j; //普通写
v1 = i + 1; // 第一个volatile写
v2 = j * 2; //第二个 volatile写
}
… //其他方法
}
针对readAndWrite()方法，编译器在生成字节码时可以做如下的优化：
旧的Java内存模型允许volatile变量与普通变量之间重排序。为了提供一种比监视器锁更轻量级的线程之间通信的机制，JSR-133专家组决定增强volatile的内存语义：严格限制编译器和处理器对volatile变量与普通变量的重排序，确保volatile的写-读和监视器的释放-获取一样，具有相同的内存语义。
2、锁释放和获取的内存语义
借助ReentrantLock的源代码，来分析锁内存语义的具体实现机制。
class ReentrantLockExample {
int a = 0;
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public void writer() {
lock.lock(); //获取锁
try {
a++;
} finally {
lock.unlock(); //释放锁
}
}
public void reader () {
lock.lock(); //获取锁
try {
int i = a;
……
} finally {
lock.unlock(); //释放锁
}
}
}
在ReentrantLock中，调用lock()方法获取锁；调用unlock()方法释放锁。
ReentrantLock的实现依赖于java同步器框架AbstractQueuedSynchronizer（AQS）。AQS使用一个整型的volatile变量（命名为state）来维护同步状态，马上我们会看到，这个volatile变量是ReentrantLock内存语义实现的关键。 下面是ReentrantLock的类图：
ReentrantLock分为公平锁和非公平锁，我们首先分析公平锁。
使用公平锁时，加锁方法lock()的方法调用轨迹如下：
ReentrantLock.lock() -> FairSync.lock() -> AbstractQueuedSynchronizer.acquire(int arg) -> ReentrantLock.tryAcquire(int acquires)
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState(); //获取锁的开始，首先读volatile变量state
if (c == 0) {
if (isFirst(current) &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
从上面源代码中我们可以看出，加锁方法首先读volatile变量state。
在使用公平锁时，解锁方法unlock()的方法调用轨迹如下：
ReentrantLock -> unlock() -> AbstractQueuedSynchronizer.release(int arg) -> Sync.tryRelease(int releases)
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c); //释放锁的最后，写volatile变量state
return free;
}
从上面的源代码我们可以看出，在释放锁的最后写volatile变量state。
公平锁在释放锁的最后写volatile变量state；在获取锁时首先读这个volatile变量。根据volatile的happens-before规则，释放锁的线程在写volatile变量之前可见的共享变量，在获取锁的线程读取同一个volatile变量后将立即变的对获取锁的线程可见。
非公平锁的释放和公平锁完全一样，所以这里仅仅分析非公平锁的获取。
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
该方法以原子操作的方式更新state变量，compareAndSet()就是通常所说的CAS。JDK文档对该方法的说明如下：如果当前状态值等于预期值，则以原子方式将同步状态设置为给定的更新值。此操作具有 volatile 读和写的内存语义。
之前提到过，编译器不会对volatile读与volatile读后面的任意内存操作重排序；也不会对volatile写与volatile写前面的任意内存操作重排序。组合这两个条件，意味着为了同时实现volatile读和volatile写的内存语义，编译器不能对CAS与CAS前面和后面的任意内存操作重排序。
现在对公平锁和非公平锁的内存语义做个总结：
- 公平锁和非公平锁释放时，最后都要写一个volatile变量state。
- 公平锁获取时，首先会去读这个volatile变量。
- 非公平锁获取时，首先会用CAS更新这个volatile变量,这个操作同时具有volatile读和volatile写的内存语义。
3、concurrent包的实现
把volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信整合在一起，就形成了整个concurrent包得以实现的基石。如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式：
- 首先，声明共享变量为volatile；
- 然后，使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步；
- 同时，配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。
4、final
与前面介绍的锁和volatile相比较，对final域的读和写更像是普通的变量访问。对于final域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则：
- 在构造函数内对一个final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。
- 初次读一个包含final域的对象的引用，与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序。
下面，我们通过一些示例性的代码来分别说明这两个规则：
public class FinalExample {
int i; //普通变量
final int j; //final变量
static FinalExample obj;
public void FinalExample () { //构造函数
i = 1; //写普通域
j = 2; //写final域
}
public static void writer () { //写线程A执行
obj = new FinalExample ();
}
public static void reader () { //读线程B执行
FinalExample object = obj; //读对象引用
int a = object.i; //读普通域
int b = object.j; //读final域
}
}
这里假设一个线程A执行writer ()方法，随后另一个线程B执行reader ()方法。下面我们通过这两个线程的交互来说明这两个规则。
-
写final域的重排序规则
这个规则禁止把final域的写重排序到构造函数之外。这个规则的实现包含下面2个方面：- JMM禁止编译器把final域的写重排序到构造函数之外。
- 编译器会在final域的写之后，构造函数return之前，插入一个StoreStore屏障。这个屏障禁止处理器把final域的写重排序到构造函数之外。
假设线程B读对象引用与读对象的成员域之间没有重排序，下图是一种可能的执行时序：
- 在上图中，写普通域的操作被编译器重排序到了构造函数之外，读线程B错误的读取了普通变量i初始化之前的值。而写final域的操作，被写final域的重排序规则“限定”在了构造函数之内，读线程B正确的读取了final变量初始化之后的值。
这是因为写final域的重排序规则可以确保：在对象引用为任意线程可见之前，对象的final域已经被正确初始化过了，而普通域不具有这个保障。 -
读final域的重排序规则
读final域的重排序规则如下：
在一个线程中，初次读对象引用与初次读该对象包含的final域，JMM禁止处理器重排序这两个操作（注意，这个规则仅仅针对处理器）。编译器会在读final域操作的前面插入一个LoadLoad屏障。初次读对象引用与初次读该对象包含的final域，这两个操作之间存在间接依赖关系。由于编译器遵守间接依赖关系，因此编译器不会重排序这两个操作。
现在我们假设写线程A没有发生任何重排序，同时程序在不遵守间接依赖的处理器上执行，下面是一种可能的执行时序：
-
在上图中，读对象的普通域的操作被处理器重排序到读对象引用之前。读普通域时，该域还没有被写线程A写入，这是一个错误的读取操作。而读final域的重排序规则会把读对象final域的操作“限定”在读对象引用之后，此时该final域已经被A线程初始化过了，这是一个正确的读取操作。
-
如果final域是引用类型
public class FinalReferenceExample {
final int[] intArray; //final是引用类型
static FinalReferenceExample obj;
public FinalReferenceExample () { //构造函数
intArray = new int[1]; //1
intArray[0] = 1; //2
}
public static void writerOne () { //写线程A执行
obj = new FinalReferenceExample (); //3
}
public static void writerTwo () { //写线程B执行
obj.intArray[0] = 2; //4
}
public static void reader () { //读线程C执行
if (obj != null) { //5
int temp1 = obj.intArray[0]; //6
}
}
}
对于引用类型，写final域的重排序规则对编译器和处理器增加了如下约束：
- 在构造函数内对一个final引用的对象的成员域的写入，与随后在构造函数外把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。
对上面的示例程序，我们假设首先线程A执行writerOne()方法，执行完后线程B执行writerTwo()方法，执行完后线程C执行reader ()方法。下面是一种可能的线程执行时序：
在上图中，1是对final域的写入，2是对这个final域引用的对象的成员域的写入，3是把被构造的对象的引用赋值给某个引用变量。这里除了前面提到的1不能和3重排序外，2和3也不能重排序。
也就是说一个final对象，其在构造函数中的操作一定是先于构造函数外的操作
- final引用溢出
写final域的重排序规则可以确保：在引用变量为任意线程可见之前，该引用变量指向的对象的final域已经在构造函数中被正确初始化过了。其实要得到这个效果，还需要一个保证：在构造函数内部，不能让这个被构造对象的引用为其他线程可见，也就是对象引用不能在构造函数中“逸出”。
public class FinalReferenceEscapeExample {
final int i;
static FinalReferenceEscapeExample obj;
public FinalReferenceEscapeExample () {
i = 1; //1写final域
obj = this; //2 this引用在此“逸出”
}
public static void writer() {
new FinalReferenceEscapeExample ();
}
public static void reader {
if (obj != null) { //3
int temp = obj.i; //4
}
}
}
假设一个线程A执行writer()方法，另一个线程B执行reader()方法。这里的操作2使得对象还未完成构造前就为线程B可见。即使这里的操作2是构造函数的最后一步，且即使在程序中操作2排在操作1后面，执行read()方法的线程仍然可能无法看到final域被初始化后的值，因为这里的操作1和操作2之间可能被重排序。实际的执行时序可能如下图所示：
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