Java内存模型

Jmiin

发布于：Sep 9, 2020

在并发编程中，需要注意两个关键问题：

线程间如何通信? 即: 线程间以何种机制来交换信息.

线程间如何同步? 即: 线程间以何种机制来控制不同线程间操作发生的相对顺序.

在命令式编程中，线程之间的通信机制有两种：共享内存和消息传递。

两种内存模型比较

模型	如何通信	如何同步
共享内存	线程之间共享内存的公共状态，通过写-读内存中的公共状态进行隐式的通信。	同步是显式进行的。必须显式指定某个方法或某段代码需要在线程之间互斥执行。
消息传递	线程之间没有公共状态，线程之间必须通过发送消息来显式的通信。	由于消息的发送必须在消息接收之前，因此同步是隐式执行的。

Java的并发采用的是共享内存模型，它的线程之间的通信总是隐式执行的。

Java内存模型的抽象结构

运行时内存的划分

先看下运行时数据区：

堆在线程间是共享的，而所有的实例域、静态域和数组元素等变量都存储在堆内存（这些元素统一被称为共享变量）。而栈中的变量（局部变量、方法定义的参数、异常处理器的参数等）不会在线程之间共享，也就不会存在 内存可见性 。内存可见性针对的是共享变量。

堆的内存不可见问题

现代计算机为了高效，会在高速缓存区中缓存共享变量，线程之间的共享变量存储在主内存中，每个线程都有一个私有的本地内存，它存储了该线程以读、写共享变量的拷贝（副本）。本地内存是JMM的一个抽象的概念，并不真实存在。

从图中可以看出：

所有的共享变量都存储在主内存中。
每个线程都保留了一份该线程使用到了的共享变量的拷贝。
如果A与B两个线程进行通信的话，需要经过以下两个步骤:
- A将本地内存中被更新过的共享变量副本刷新到主内存中。
- B需要到主内存中去读取A之前已经更新过的共享变量。

整个过程中A、B是无法之间访问对方的工作内存的，线程之间的通信必须经过主内存。

注意：根据JMM的规定，线程对共享变量的所有操作都必须在自己的本地内存中进行，不能直接从主内存中读取。

因此B并不是直接到主内存读取共享变量的值，而是先在本地内存中找到这个共享变量，发现这个共享变量已经被更新了，然后B去主内存中读取这个共享变量的新值，并拷贝到B的本地内存中，最后B在从本地内存读取新值。

JMM正是通过控制主内存与每个线程的本地内存之间的交互来为Java程序员提供内存可见性的保证。

Java中的volatile关键字可以保证多线程操作共享变量的可见性以及禁止指令重排序，synchronized关键字不仅可以保证可见性，同时也可以保证原子性。

指令的重排序

在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。

1、编译器优化的重排序：编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

2、指令级并行的重排序：多条指令不存在数据依赖时，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。

3、内存系统的重排序。

从源码到最终的执行序列会按上述顺序进行重排序。

这些重排序很可能导致多线程程序出现内存可见性的问题。

对于编译器，JMM规定会禁止特定类型的编译器重排序。

对于处理器，JMM规定**在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（Memory Barriers）指令，通过它来禁止。

happens-before

Java内存模型使用happens-before的概念来描述操作之间的内存可见性。如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须要存在happens-before关系。

程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。

监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。

volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。

传递性：如果A happens-before B且B happens-before C，那么A happens-before C。

start规则：如果线程A执⾏操作ThreadB.start()启动线程B，那么A线程的ThreadB.start（）操作happens-before于线程B中的任意操作。

join规则：如果线程A执⾏操作ThreadB.join（）并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。

两个操作之间具有happens-before关系，并不意味着前一个操作必须要在后一个操作之前执行！happens-before仅仅要求前一个操作（执行的结果）对后一个操作可见，且前一个操作按顺序排在第二个操作之前（the first is visible to and ordered before the second）。