Java并发(5)：JMM（Java内存模型）

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JAVA内存模型

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JMM(Java 内存模型)主要定义了对于一个共享变量，当另一个线程对这个共享变量执行写操作后，这个线程对这个共享变量的可见性。
JMM（Java Memory Model）是Java内存模型的缩写，是描述Java程序中多线程并发访问时，各个线程如何通过主存和工作内存进行通信的规范。

1 JMM（Java内存模型）

JMM 看作是 Java 定义的并发编程相关的一组规范，除了抽象了线程和主内存之间的关系之外，其还规定了从 Java 源代码到 CPU 可执行指令的这个转化过程要遵守哪些和并发相关的原则和规范，其主要目的是为了简化多线程编程，增强程序可移植性的。

为什么要遵守这些并发相关的原则和规范呢？ 这是因为并发编程下，像 CPU 多级缓存和指令重排这类设计可能会导致程序运行出现一些问题。就比如说我们上面提到的指令重排序就可能会让多线程程序的执行出现问题，为此，JMM 抽象了 happens-before 原则（后文会详细介绍到）来解决这个指令重排序问题。

1.1 CPU缓存模型

  • 主内存：所有线程创建的实例对象都存放在主内存中，不管该实例对象是成员变量，还是局部变量，类信息、常量、静态变量都是放在主内存中。为了获取更好的运行速度，虚拟机及硬件系统可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中。

  • 本地内存：每个线程都有一个私有的本地内存，本地内存存储了该线程以读 / 写共享变量的副本。每个线程只能操作自己本地内存中的变量，无法直接访问其他线程的本地内存。如果线程间需要通信，必须通过主内存来进行。本地内存是 JMM 抽象出来的一个概念，并不真实存在，它涵盖了缓存、写缓冲区、寄存器以及其他的硬件和编译器优化。
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1.2 指令重排序

  • 编译器优化重排：编译器（包括 JVM、JIT 编译器等）在不改变单线程程序语义的前提下，重新安排语句的执行顺序。

  • 指令并行重排：现代处理器采用了指令级并行技术(Instruction-Level Parallelism，ILP)来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。

1.3 Java内存区域和JMM

  • JVM 内存结构和 Java 虚拟机的运行时区域相关，定义了 JVM 在运行时如何分区存储程序数据，就比如说堆主要用于存放对象实例。

  • Java 内存模型和 Java 的并发编程相关，抽象了线程和主内存之间的关系就比如说线程之间的共享变量必须存储在主内存中，规定了从 Java 源代码到 CPU 可执行指令的这个转化过程要遵守哪些和并发相关的原则和规范，其主要目的是为了简化多线程编程，增强程序可移植性的。多线程环境下对共享变量的访问

2 happens-before

为什么需要 happens-before 原则？ happens-before 原则的诞生是为了程序员和编译器、处理器之间的平衡。程序员追求的是易于理解和编程的强内存模型，遵守既定规则编码即可。编译器和处理器追求的是较少约束的弱内存模型，让它们尽己所能地去优化性能，让性能最大化。happens-before 原则的设计思想其实非常简单：

  • 为了对编译器和处理器的约束尽可能少，只要不改变程序的执行结果（单线程程序和正确执行的多线程程序），编译器和处理器怎么进行重排序优化都行。

  • 对于会改变程序执行结果的重排序，JMM 要求编译器和处理器必须禁止这种重排序。
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2.1 happens-before原则

  • 程序顺序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作 happens-before 于书写在后面的操作；

  • 解锁规则：解锁 happens-before 于加锁；

  • volatile 变量规则：对一个 volatile 变量的写操作 happens-before 于后面对这个 volatile 变量的读操作。说白了就是对 volatile 变量的写操作的结果对于发生于其后的任何操作都是可见的。

  • 传递规则：如果 A happens-before B，且 B happens-before C，那么 A happens-before C；

  • 线程启动规则：Thread 对象的 start()方法 happens-before 于此线程的每一个动作。

  • 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。

3 并发编程

3.1 原子性

一次操作或者多次操作，要么所有的操作全部都得到执行并且不会受到任何因素的干扰而中断，要么都不执行。

在 Java 中，可以借助synchronized、各种 Lock 以及各种原子类实现原子性。

synchronized 和各种 Lock 可以保证任一时刻只有一个线程访问该代码块，因此可以保障原子性。各种原子类是利用 CAS (compare and swap) 操作（可能也会用到 volatile或者final关键字）来保证原子操作。

3.2 可见性

当一个线程对共享变量进行了修改，那么另外的线程都是立即可以看到修改后的最新值。

在 Java 中，可以借助synchronized、volatile 以及各种 Lock 实现可见性。

如果我们将变量声明为 volatile ，这就指示 JVM，这个变量是共享且不稳定的，每次使用它都到主存中进行读取。

3.3 有序性

由于指令重排序问题，代码的执行顺序未必就是编写代码时候的顺序。

我们上面讲重排序的时候也提到过：

指令重排序可以保证串行语义一致，但是没有义务保证多线程间的语义也一致 ，所以在多线程下，指令重排序可能会导致一些问题。

在 Java 中，volatile 关键字可以禁止指令进行重排序优化。

4 参考

happens-before是什么？JMM最最核心的概念，看完你就懂了 - 知乎 (zhihu.com)
JMM（Java 内存模型）详解 | JavaGuide