JMM

~信~仰~ 2019-08-24

jmm 内存模型 lock static 多线程 thread

注:本文部分内容取自:《深入理解java虚拟机》

java之前,主流程序语言(如C/C++等)直接使用物理硬件和操作系统的内存模型,因此,会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,因此在某些场景就必须针对不同的平台来编写程序。

而Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型(Java Memory Model,JMM)来屏蔽掉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。

Java内存模型的主要目标是定义程序中各个共享变量的访问规则,也就是在虚拟机中将变量存储到内存以及从内存中取出变量这类的底层细节。通过这些规则来规范对内存的读写操作,保证了并发场景下的可见性、原子性和有序性。

主内存与工作内存

Java内存模型定义了线程和内存的交互方式,在JMM抽象模型中,分为主内存、工作内存。主内存是所有线程共享的,Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中;每条线程还有自己的工作内存,线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存的副本拷贝,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变量。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。

image

JMM是用来解决多线程通过共享内存进行通信时,存在的各自工作内存数据不一致、编译器对代码指令重排序以及处理器会对代码乱序执行等带来的问题,目的是保证并发编程场景中的原子性、可见性和有序性。

需要注意的是:

对于工作内存是主内存的副本拷贝,如“假设线程中访问一个10MB的对象,也会把这10MB的内存复制一份拷贝出来吗?”,事实上并不会如此,这个对象的引用、对象中某个在线程访问到的字段是有可能存在拷贝的,但不会有虚拟机实现成把整个对象拷贝A一次。

volatile变量依然有工作内存的拷贝,但是由于它特殊的操作顺序性规定,所以看起来如同直接在主内存中读写访问一般,因此这里的描述对于volatile也并不存在例外。

Java内存模型中定义了以下8种操作来完成主内存与工作内存之间数据的交互,虚拟机实现时必须保证每一种操作都是原子的、不可再分的:

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到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到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复制到工作内存,那就要顺序地执行read和load操作,如果要把变量从工作内存同步回主内存,就要顺序地执行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,而没有保证是连续执行。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,一种可能出现顺序是read a、write a、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,或者从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的最近的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,必须先执行过了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住的变量。

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)。

可见性

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立即可知的。普通变量不能保证可见性,因为普通变量的值发生变化,向主内存进行回写后,其他线程可能不会立即去读这个变量并更新到自己的工作内存,从而造成了线程间工作内存中同一变量的值不相同。

java的volatile关键字可以解决可见性,被其修饰的变量在被修改后会立即同步到主内存,且被其修饰的变量在每次使用之前都从主内存刷新。

但在各个线程的工作内存中,volatile变量也存在不一致的情况,因为volatile变量对所有线程并不是立即可见的,但是线程每次使用该变量之前都必须先刷新(即从主内存中重新执行read、load),导致线程每次用到的都是最新的值,执行引擎看不到不一致的情况,因此可以认为不存在不一致性问题。

但是Java里面的运算并非原子操作,因此volatile变量的运算在并发下一样是不安全的:

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。但是并不会获得期望的结果,每次运行程序都是一个小于200000的数字,这是为什么呢?

问题就出现在自增运算“race++”之中,Javap反编译这段代码后会得到如下代码清单,发现increase()方法是由4条字节码指令构成的,从字节码层面上很容易就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的值加大了,而在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
5:putstatic#13;//Field race:I
8:return
LineNumberTable:
line 14:0
line 15:8

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。

在如下的代码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){
        //do stuff
    }
}

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。除了volatile之外,Java还有两个关键字能实现可见性,即synchronized和final。他们实现可见性的方式有所不同。

synchronized关键字不仅保证同一时刻只允许一条线程操作,还遵守“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。

final 变量在并发当中,原理是通过禁止cpu的指令集重排序,来提供现成的可见性,来保证对象的安全发布,防止对象引用被其他线程在对象被完全构造完成前拿到并使用。

fianl可以保证正在创建中的对象不能被其他线程访问到,反之,不适用final的对象,是可以在创建的过程中被访问到的,如果可以被访问,那么因为指令的重排序就可能看到只初始化一半的变量。

通常情况下,final变量有3个地方可以赋值:直接赋值,构造函数中,或是初始化块中。final域只能被显式地赋值一次。

JVM关于final的2个规则如下:

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。

被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成,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),那在其他线程中就能看见final字段的值。

如下代码所示,变量i与j都具备可见性,它们无须同步就能被其他线程正确访问。

public static final int i;
public final int j;
static{
    i=0;
    //do something
}
{
    //也可以选择在构造函数中初始化
    j=0;
    //do something
}

原子性

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,我们大致可以认为基本数据类型的访问读写是具备原子性的。

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。

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这8个操作都具有原子性,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相对宽松的规定: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,即允许虚拟机实现选择可以不保证64位数据类型的load、store、read和write这4个操作的原子性,这点就是long和double的非原子性协定。

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非原值,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”的情况在目前商用Java虚拟机中不会出现。目前各平台的商用虚拟机几乎都选择把64位数据的读写操作实现为具有原子性的操作,因此我们在编写代码时一般不需要把用到的long和double变量专门声明为volatile。

有序性

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。

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,这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。

synchronized关键字能同时解决可见性、原子性、有序性三种问题,大部分的并发控制操作都能使用synchronized来完成。

As-if-serial,其语义是所有的指令都可以为了优化而被重排序,但是必须保证在单线程中它们重排序后的结果和程序代码本身的应有结果是一致的。Java编译器、运行时和处理器都会保证单线程下的as-if-serial语义。

指令重排的目的是为了最大化的提高CPU利用率以及性能,CPU的乱序执行优化在单核时代并不影响正确性,但是在多核时代的多线程能够在不同的核心上实现真正的并行,一旦线程之间共享数据,就可能会出现一些不可预料的问题。

指令重排序必须要遵循的原则是,单线程中不影响代码执行的最终结果,编译器和处理器不会改变单线程中存在数据依赖关系的两个操作的执行顺序。

多核心多线程下指令重排的影响示例:

private static int x = 0, y = 0; 
private static int a = 0, b = 0; 

public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        a = 1; 
        x = b; 
    }); 
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        b = 1; 
        y = a; 
    }); 
    
    t1.start(); 
    t2.start(); 
    t1.join(); 
    t2.join(); 
    System.out.println("x=" + x + "->y=" + y); 
}

如果不考虑编译器重排序和缓存可见性问题,上面这段代码可能会出现的结果是:

x=0,y=1; 
x=1,y=0; 
x=1,y=1

因为可能是先后执行t1/t2,也可能是反过来,还可能是t1/t2交替执行,但是这段代码的执行结果也有可能是:

x=0,y=0

这就是在乱序执行的情况下会导致的一种结果,因为线程t1内部的两行代码之间不存在数据依赖,因此可以把x=b乱序到a=1之前;同时线程t2中的y=a也可以早于t1中的a=1执行,那么他们的执行顺序可能是:

t1: x=b
t2: b=1
t2: y=a
t1: a=1

先行发生原则

如果Java内存模型中所有的有序性都仅仅靠volatile和synchronized来完成,那么有一些操作将会变得很烦琐,但是我们在编写Java并发代码的时候并没有感觉到这一点,这是因为Java语言中有一个“先行发生”(happens-before)的原则。这个原则是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据,依靠这个原则,我们可以通过几条规则一揽子地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。

先行发生是Java内存模型中定义的两项操作之间的顺序关系,如果说操作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。举例说明如下:

//以下操作在线程A中执行
i=1;
//以下操作在线程B中执行
j=i;
//以下操作在线程C中执行
i=2;

假设线程A中的操作“i=1”先行发生于线程B的操作“j=i”,那么可以确定在线程B的操作执行后,变量j的值一定等于1,得出这个结论的依据有两个:一是根据先行发生原则,“i=1”的结果可以被观察到;二是线程C还没“登场”,线程A操作结束之后没有其他线程会修改变量i的值。

现在再来考虑线程C,我们依然保持线程A和线程B之间的先行发生关系,而线程C出现在线程A和线程B的操作之间,但是线程C与线程B没有先行发生关系,那j的值会是多少呢?答案是不确定!1和2都有可能,因为线程C对变量i的影响可能会被线程B观察到,也可能不会,这时候线程B就存在读取到过期数据的风险,不具备多线程安全性。

下面是Java内存模型下8种“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的话,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,按照程序代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作。准确地说,应该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”是指时间上的先后顺序。

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顺序。

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()方法结束、Thread.isAlive()的返回值等手段检测到线程已经终止执行。

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。

Java语言无须任何同步手段保障就能成立的先行发生规则就只有上面这些了,下面演示如何使用这些规则去判定操作间是否具备顺序性,对于读写共享变量的操作来说,就是线程是否安全:

private int value=0;
pubilc void setValue(int value){
    this.value=value;
}
public int getValue(){
    return value;
}

假设存在线程A和B,线程A先(时间上的先后)调用了“setValue(1)”,然后线程B调用了同一个对象的“getValue()”,那么线程B收到的返回值是什么?

依次分析先行发生原则中的各项规则,由于两个方法分别由线程A和线程B调用,不在一个线程中,所以程序次序规则在这里不适用;由于没有同步块,自然就不会发生lock和unlock操作,所以管程锁定规则不适用;由于value变量没有被volatile关键字修饰,所以volatile变量规则不适用;后面的线程启动、终止、中断规则和对象终结规则也和这里完全没有关系。因为没有一个适用的先行发生规则,所以最后一条传递性也无从谈起,因此我们可以判定尽管线程A在操作时间上先于线程B,但是无法确定线程B中“getValue()”方法的返回结果,换句话说,这里面的操作不是线程安全的。

修复方式有两种比较简单的方案可以选择:要么把getter/setter方法都定义为synchronized方法,这样就可以套用管程锁定规则;要么把value定义为volatile变量,由于setter方法对value的修改不依赖value的原值,满足volatile关键字使用场景,这样就可以套用volatile变量规则来实现先行发生关系。

通过上面的例子,我们可以得出结论:一个操作“时间上的先发生”不代表这个操作会是“先行发生”,那如果一个操作“先行发生”是否就能推导出这个操作必定是“时间上的先发生”呢?很遗憾,这个推论也是不成立的,一个典型的例子就是多次提到的“指令重排序”:

//以下操作在同一个线程中执行
int i=1;
int j=2;

代码清单12-10的两条赋值语句在同一个线程之中,根据程序次序规则,“int i=1”的操作先行发生于“int j=2”,但是“int j=2”的代码完全可能先被处理器执行,这并不影响先行发生原则的正确性,因为我们在这条线程之中没有办法感知到这点。

上面两个例子综合起来证明了一个结论:时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系,所以我们衡量并发安全问题的时候不要受到时间顺序的干扰,一切必须以先行发生原则为准。

内存屏障

内存屏障(Memory Barrier)用于控制特定条件下的重排序和内存可见性问题,JMM内存屏障可以被分为以下四种类型。

1. LoadLoad Barriers

对于这样的语句:

load1; LoadLoad; load2,

保证load1数据的装载优先于load2及所有后续装载指令的装载。

2. StoreStore Barriers

对于这样的语句:

store1; StoreStore; store2,

保证store1数据对其他处理器可见优先于store2及所有后续存储指令的存储。

3. LoadStore Barriers

对于这样的语句:

load1; LoadStore; store2,

保证load1数据装载优先于store2以及后续的存储指令刷新到内存。

4. StoreLoad Barriers

对于这样的语句:

store1; StoreLoad; load2,

确保store1数据对其他处理器变得可见,优先于load2及所有后续装载指令的装载。

这条内存屏障指令是一个全能型的屏障,它同时具有其他3条屏障的效果,同时它的开销也是四种屏障中最大的。

文末,对于感兴趣的同学,推荐详细阅读《深入理解java虚拟机》

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