Java内存模型(JMM)、“先行发生”原则

时间:2022-03-28 20:52:44

主要内容:JMM规则+先行发生原则

Java内存模型(Java Memory Model,JMM)

Java内存模型(Java Memory Model,JMM)的主要目标是定义程序各个变量的访问规则,即在虚拟机中将变量存储到内存和从内存中取出变量这样的底层细节。它是围绕着在并发中如何处理原子性(Atomicity)、可见性(Visibility)、有序性(Ordering)这三个特征建立的。

JMM规定所有变量都存储在主内存(Main Memory)中,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

Java内存模型(JMM)、“先行发生”原则

内存间交互操作

JMM定义了8种操作来完成主内存与工作内存之间的交互,这8种操作具有原子性、不可再分性(对于double、long类型变量,load、store、read、write操作在某些平台有例外,JMM未规定double、long类型变量操作原子性,但虚拟机会实现原子性)。

lock(锁定):作用于主内存的变量,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,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,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,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,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,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,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,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。

    把一个变量从主内存复制到工作内存(read - load) 、把变量从工作内存同步回主内存(store - write)这两个操作必须按括号内的顺序执行,但不用保证连续执行,例如对主内存的变量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。

Java内存模型(JMM)、“先行发生”原则

以上8种操作需满足以下规则:

  • (read - load)、(store - write)括号内操作必须成对出现,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但主内存不接受的情况出现。
  • 不允许一个线程丢弃他的最近的assign操作,即变量在工作内存中改变了之后必须把该改变同步回主内存。
  • 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,即对一个变量实施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,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)。

volatile(易变的)(可见性、有序性)

  被volatile修饰的变量具有两种特性:

1、保证此变量对所有线程的可见性

        当一条线程修改了此变量的值,新值对于其他线程是立即可知的,而不需要像普通变量那样要经过主内存。以下两条规则的运算场景能保证原子性,否则仍然要通过加锁(使用synchronized或java.util.concurrent中的原子类)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。

2、禁止指令重排序优化

        和普通变量相比,有volatile修饰的变量,赋值后多执行了一个"lock addl $0x0,(%esp)"操作,此操作相当于一个内存屏障(Memory Barrier或 Memory Fence,指重排序时不能把后面指令重排序到内存屏障之前的位置),只有一个CPU访问时不需要内存屏障;但如果有两个及以上CPU访问同一块内存,且其中有一个在观测另一个,就需要内存屏障来保证一致性。"lock addl $0x0,(%esp)"操作重点在于lock前缀(注:不是lock操作),它的作用是使得本内存的Cache写入了内存,该写入操作也会引起别的CPU或别的内核无效化其Cache,通过此操作可让volatile变量的修改对其他的CPU立即可见。

Java内存模型中对volatile变量的规则如下:

  • 在工作内存中,每次使用volatile变量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volatile变量所做的修改后的值。
  • 在工作内存中,每次修改完volatile变量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volatile变量所做的修改。
  • volatile修饰的变量不会被指令重排序优化,保证代码的执行顺序与程序的顺序相同。

Synchronized 关键字(原子性、可见性、有序性)

JMM提供了lock和unlock操作来满足更大范围的原子性操作。尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用,但是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。

final关键字(可见性)

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引用逃逸现象很危险,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。

先行发生原则(happens-before)

  • 它是判断数据是否存在竞争、线程是否安全的主要依据。先行发生是JMM中定义的两项操作之间的偏序关系
  • 程序次序规则
        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。
  • 管程锁定规则
    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,这里的“后面”指的是时间上的先后顺序。
  • volatile变量规则
    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”指的是时间上的先后顺序。
  • 线程启动规则
    Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个动作。
  • 线程终止规则
       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。
  • 线程中断规则
    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(即先中断,后发现被中断),可以通过Thread.interrupted()方法检测到是否有中断发生。
  • 对象终结规则
    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。
  • 传递性
    若操作A先行发生于操作B,操作B先行发生于操作C,那么就可以得出操作A先行发生于操作C。

以上规则是Java语言“天然”存在的规则,无需同步手段(例:加synchronized)就能保证先行发生。

时间先后顺序与先行发生原则之间基本没有太大的关系。“先行发生”不代表“时间上先发生”,“时间上先发生”也不代表“先行发生”